Сдвиг по фазе

Нобелевской премии по физике за 2016 год удостоились американцы Дэвид Таулес, Дункан Халдейн и Джон Костерлиц «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи». Эти исследования относятся к физике конденсированного состояния вещества и в значительной степени связаны с фазовым переходом Березинского-Костерлица-Таулеса, описание которого впервые предложил советский физик-теоретик Вадим Березинский. «Лента.ру» подробнее рассказывает о работе лауреатов.

Физик-теоретик Таулес — из Вашингтонского, Халдейн — из Принстонского, а Костерлиц — из Брауновского университета. Нобелевские лауреаты предложили единое теоретическое объяснение наблюдаемых свойств необычных на первый взгляд состояний материи — двумерных сверхпроводников, сверхтекучих жидкостей и магнитных тонких пленок.

Универсальный метод, разработанный учеными, позволяет описать нарушение порядка в таких системах и использовать это для прогнозирования их свойств, в частности, перехода из сверхтекучего или сверхпроводящего состояний в нормальное. Оказалось, что на квантовом уровне такие системы допускают единообразное топологическое описание, не зависящее от характера материала, — именно поэтому соответствующие трансформации свойств материи получили такие названия.

Топология описывает свойства объектов, зависящие от их непрерывной деформации. Например, с точки зрения топологии кружка и бублик идентичны друг другу и считаются примером тора — поверхностью первого рода, иначе — сферой с одной ручкой. Топологические объекты могут классифицироваться по количеству ручек — такие достаточно общие свойства математических объектов физики применяли, например, для объяснения изменения сопротивления в квантовом эффекте Холла.

К классическом случае этот эффект представляет собой возникновение разности потенциалов (напряжения) в поперечном сечении проводника с постоянным током, помещенным в магнитное поле. Квантовый эффект проявляется в двумерных структурах и связан с возникновением дискретных (то есть прерывных) уровней проводимости. Электронный газ при этом находится в особой фазе — образует топологическую квантовую жидкость. Проводимость такой материи, как показали ученые, квантуется, то есть характеризуется не непрерывными, а дискретными значениями.

Первым топологические методы к фазовым переходам в двумерных системах применил советский физик-теоретик Вадим Березинский, еще в 1960-х. Именно он предсказал свойства тонких пленок сверхтекучего жидкого гелия, смектических кристаллов и слоистых магнетиков. Структура таких двумерных объектов, что было известно еще до Березинского, нарушается флуктуациями — хаотическими тепловыми движениями образующих эти объекты частиц.

Как показал советский ученый, при низких температурах таким системам присуще особое поведение: образуются связанные пары дефект-антидефект (в другой терминологии — вихрь-антивихрь), чья энергия не зависит от размера материала. С повышением температуры возникают спонтанные дефекты, приводящие к тому, что система выходит из топологической фазы. Это означает, в частности, что сверхтекучий (текущий без трения) гелий-4 превращается в нормальную (текущую с трением) жидкость.

Температура такого перехода называется критической. Физически это означает, что в системе нарушаются дальние корреляции параметра порядка — разрушаются квантовые пары вихрь-антивихрь больших размеров. Примечательно, что математическое описание этих процессов универсально для сверхтекучести, сверхпроводимости и некоторых двумерных систем.

Выводы четверых физиков получили экспериментальное подтверждение, в том числе и для некоторых трехмерных случаев, для которых двумерное описание служит своеобразным предельным случаем. Материалы, чьи фазовые переходы описаны лауреатами, применяются в самой перспективной электронике, в частности, квантовых компьютерах. Некоторые теории описывают процессы, происходившие на ранних этапах эволюции Вселенной, при помощи тех же методов.

Березинский скончался в 1980 году и не дожил до присуждения ему Нобелевской премии. В пресс-релизах Нобелевского комитета вскользь упоминается советский физик, однако в материалах для ученых шведы похоронили ученого на год позже. Можно сказать, что присуждение этой премии — одно из наиболее взвешенных решений Нобелевского комитета за последние несколько лет. Награду получат ученые, которые работают не над моделями, а над универсальными методами. О вкладе советской научной школы в исследования шведы знают, но, к сожалению, наградить уже никого не могут.

Андрей Борисов