Kosár

A kosár jelenleg üres

Bejelentkezés &
Regisztráció

Jelenleg nincs belépve.

Válassza ki az oldal nyelvét

TERMÉKEINK

iPon FÓRUM

iPon Cikkek

Örvények, csészék és a felületfizika

  • Dátum | 2016.10.06 08:01
  • Szerző | Jools
  • Csoport | EGYÉB

Az idei fizikai Nobel-díjat három olyan kutató kapta, akik az anyag szokatlan állapotait tanulmányozzák. David J. Thouless (Washington Egyetem), F. Duncan M. Haldane (Princeton Egyetem) és J. Michael Kosterlitz (Brown Egyetem) felfedezései alapvetően változtatták meg az anyagról alkotott korábbi képet, és eredményeik révén új lehetőségek nyíltak meg az anyaggyártás területén is.

Thouless, Haldane és Kosterlitz fejlett matematikai módszerek révén, topológiai eszközökkel írták le az anyag olyan szokatlan állapotait, mint a szupravezetés, a szuperfolyékonyság vagy mágneses vékonyfilmek viselkedése. Kosterlitz és Thouless a felületfizika jelenségeit kutatták pályájuk során, vagyis olyan felületeket vagy rendkívül vékony rétegeket vizsgáltak, amelyek az általuk tanulmányozott jelenségek szempontjából kétdimenziós térként viselkednek. Haldane pedig olyan anyagokat vizsgált, amelyek annyira vékony szálakat alkotnak, hogy egydimenziósnak tekinthetők.

A felületek fizikája nagyon eltérő attól, amit magunk körül megszoktunk. Egy vékony atomi réteg rengeteg atomból áll, amelyek együttes viselkedése nem feltétlenül érthető meg az egy-egy atomra vonatkozó kvantumfizikai jellemzők alapján. Ezek a felületek újabb és újabb érdekes kollektív viselkedésmódokat tárnak fel.


Míg a makroszinten és normál hőmérsékleten megszokott halmazállapotokban (gáz, folyadék, szilárd) a kvantumhatások gyakran rejtve maradnak, ha eltérünk a hétköznapokban megszokott mutatóktól, az anyag ezen hatások eredményeként furcsa állapotokba kerülhet és váratlanul kezdhet viselkedni. Extrém hideg hőmérsékletek mellett a kvantumfizika, amely normális esetben csak mikroszinten érvényesül, makroszinten is láthatóvá válik. A hidegben tehát furcsa dolgok történhetnek meg, megszűnhet például a normál körülmények között csaknem minden részecskére ható ellenállás, és az elektronok szabadon áramolhatnak (szupravezetés), az örvények pedig sosem lassulnak le (szuperfolyékonyság).

A szuperfolyékony, azaz súrlódásmentes, nulla viszkozitású anyagokat szisztematikusan először Pjotr Leonyidovics Kapica tanulmányozta az 1930-as években. A szovjet atomfizikus, aki 1978-ban Nobel-díjat kapott eredményeiért, héliumot hűtött le mínusz 271 °C-ra, és a folyadék „felmászott” az edény függőleges falaira. Azóta számos különböző szuperfolyadékot hoztak létre a szakértők a világ laborjaiban, és emellett persze számos másfajta szempontból ellenállásmentes anyag (szupravezetők, elektromosan vezető nanoszálak stb.) is megalkotásra került.

A szakértők sokáig azt hitték, hogy egy kétdimenziós világban nincsenek fázisváltások (vagy halmazállapot-váltások), mert a hőmérsékleti ingadozások még abszolút nulla fokon is megsemmisítenek minden rendszerűséget a részecskék között. Ha pedig nincsenek rendezett fázisok, fázisátmenet sem lehetséges, ami a szupravezetés és a szuperfolyékonyság lehetőségét is kizárta volna a vékonyfilmekben.


Az 1970-es években ezt a teóriát kérdőjelezte, majd cáfolta meg Thouless és Kosterlitz, akik Birminghamben kezdtek együtt dolgozni. Együttműködésük eredményeként teljesen átformálódott a fázisátmenetekről alkotott korábbi kép, és megszületett a kondenzált anyagok fizikájának legfontosabb elméleti felfedezése, a (Berezinszkij–)Kosterlitz–Thouless-átmenet (KT-átmenet vagy BKT-átmenet).

Az általuk leírt topológiai fázisátmenetet nem úgy kell elképzelni, mint a környezetünkben megszokott fázisváltásokat, például a jég vízzé válását. Az említett topológiai átmenetben apró örvények játsszák a főszerepet, amelyek alacsony hőmérsékleten szoros párokat képeznek az anyagban. Amikor a hőmérséklet emelkedni kezd, és megtörténik a fázisváltás, ezek a párok felbomlanak, és az örvények önálló mozgásba kezdenek.

Ebben az elméletben az a rendkívül elegáns, hogy mindenféle alacsony dimenziójú anyagra alkalmazható. Az egy- vagy kétdimenziósnak tekinthető anyagokban tehát a KT-átmenet univerzális, így a teória a kondenzált anyagok fizikájának művelőin túl hasznos eszközzé vált az atomfizika vagy a statisztikus mechanika szakértői számára is.

A felületek fizikájával kapcsolatos kísérletek során idővel egy sor új anyagfázis létezésére derült fény, amelyek újabb magyarázatra szorultak. Az 1980-as években Thouless és Haldane is úttörő elméletekkel állt elő ezekkel kapcsolatban, amelyek megingatták az elektromos vezetőképesség kvantummechanikai teóriáját. Ez utóbbi az 1930-as években került kidolgozásra, és nyolcvanas évekre úgy tűnt, hogy a fizika ezen része tökéletesen érthető a szakértők előtt.

Hozzászólások

Nem vagy bejelentkezve, a hozzászóláshoz regisztrálj vagy lépj be!

Eddigi hozzászólások:

  • 4.
    2016. 10. 09. 17:50
    Összezagyváltam a fejemben, a topologikus az olyan tulajdonság ami nem állapítható meg a tér nagyjából semmilyen nem egész részhalmazából sem (például hogy egy szalag sima vagy Möbius), a hologram meg ennek az ellenkezője, hogy tetszőleges kis részéből megállapítható minden.
  • 3.
    2016. 10. 07. 21:14
    Ezt kifejthetnéd bővebben, mert nem látom így semmi értelmét.
  • 2.
    ny
    2016. 10. 07. 02:41
    > Ahogy a topologikus folyadékoknál, az atomláncok esetében sem lehetséges a lánc egy kis részének vizsgálata alapján eldönteni, hogy az topologikus-e. És ahogy az említett folyadékoknál, a láncok esetében is ezek szélén, jelen esetben végén fedik fel magukat a topológiai jellemzők, itt ugyanis a spin feleződik.

    Nocsak, lecserélték a "holografikus" szót "topologikus"-ra.
  • 1.
    2016. 10. 06. 16:48
    Elképesztő. Az ilyen cikkek olvasásakor mindig elcsodálkozom, hogy micsoda komplex rendszer vesz körül minket. Sajnálom, hogy nekem nem adatik meg részt venni az ehhez hasonló kutatásokban...