Årets Nobelpris i fysikk hedrer visjonær grunnforskning fra 1970- og 1980-tallet. Den gis for nye måter å klassifisere materialer på, og for måten materialer forvandles fra en fase til en annen.
De fleste er vant til å tenke at stoff kommer i tre faser: gass, væske og faste stoffer. En innser fort at dette blir en for grov inndeling. Faste stoffer kommer i form av glass, metaller, halvledere, magneter, osv. Metaller er viktige i alle elektriske ledninger, og halvledere og magneter er selve kjernen i alt som har med data- og informasjonsteknologi å gjøre. I såkalte superledere forsvinner all elektrisk motstand under en viss temperatur. Det er ikke vanskelig å innse at slike materialer er viktige, og ikke minst miljøvennlige.
Forskningen som David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane og J. Michael Kosterlitz har fått Nobelprisen i fysikk 2016 for, tok for seg helt nye og revolusjonerende måter å klassifisere materialer på, og hvordan de endrer seg fra en fase til en annen.
Nærmere bestemt er det snakk om materialer som er en- eller to-dimensjonale (dvs ekstremt tynne tråder eller flater), ved meget lave temperaturer eller veldig høye magnetfelt. Under slike ekstreme forhold er det kvantefysikkens lover som gjelder. Enkelt sagt gikk pristagernes forskning ut på å klassifisere de matematiske egenskapene til de kvantefysiske tilstandene. Det vil si hvordan elektronene i de nevnte materialene oppfører seg.
Tenk på en klump leire
Det nye og slående ved oppdagelsene var at det finnes visse egenskaper ved disse tilstandene som er helt uavhengig av små påvirkninger. Kvantetilstandene har en robust form, der lokale detaljer ikke spiller noen rolle. Vi er da inne på en gren av matematikken som kalles topologi.
En hverdagslig illustrasjon av dette får en med en klump leire. Leireklumpen kan ha mange former, men en form kan fås fra en annen ved å klemme litt på leiren. En sigarformet leireklump og en kuleformet leireklump ser unektelig forskjellige ut, men de har en viktig felles egenskap: de har ingen hull tvers igjennom seg. Matematisk sies det at kulen og sigaren er topologisk ekvivalente.
Vi kunne laget et hull tvers igjennom leireklumpen, og ville da fått et smultring-aktig legeme, som er topologisk forskjellig fra kulen eller sigaren. Ved å lage flere hull i leireklumpen, fås nye topologisk distinkte legemer, hvert adskilt med antall hull det har igjennom seg. Vi kan herje så mye vi vil med den detaljerte formen til de ulike leire-objektene, det eneste som spiller en rolle er antall hull.
Nytt tankesett
Den revolusjonerende innsikten som årets Nobelpristagere hadde, var nettopp dette at en kan klassifisere materialer og faseomvandlinger ved topologi. Dette var en helt ny måte å tenke på. Akkurat som antall hull i leireklumpen alltid må være et heltall (det finnes ikke ”halve hull”), får en her ett eller annet heltall som beskriver tilstanden til materialet.
Dette kalles en topologisk invariant. En tilstand med en gitt topologisk invariant er robust ved at dette heltallet ikke påvirkes av detaljer i eksperimentet som f eks små urenheter i materialet. For elektroner i sjiktet mellom to halvledere i sterkt magnetfelt og lave temperaturer, finnes det for eksempel en topologisk invariant (oppdaget av Thouless) som helt og holdent bestemmer den elektriske motstanden i sjiktet!
Som følge av den nevnte robustheten er motstanden så ufattelig skarpt definert (med en presisjon på en part i 1000 milliarder) at dette nå benyttes til å definere enheten for elektrisk motstand i det internasjonale SI-systemet.
Bemerkelsesverdige eksperimentelle fremskritt har gjort at nye materialer med robuste topologiske egenskaper nå er blitt fremstilt i laboratoriet. Disse fysiske egenskapene er av avgjørende betydning for mulige anvendelser som for eksempel kvante-datamaskiner og kvante-teknologi (som er en stor EU-satsning de kommende årene), og de vil kunne revolusjonere all data- og informasjonsteknologi.
Nysgjerrighetsdrevet grunnforskning
Nobelprisen 2016 hedrer viktigheten av å tenke langsiktig for å nå de store gjennombrudd i vitenskap, de som nesten alltid viser seg å få viktige anvendelser, men som var umulige å forutse.
Det har vist seg gang på gang igjennom det 19. og 20. århundret at det er nysgjerrighetsdrevet grunnforskning som har bragt verden de store fremskritt. Eksempler er teorien for elektromagnetisme (som brukes overalt rundt oss i dagliglivet), den generelle relativitetsteorien (som brukes i GPS) og forskningen på lasere og ultrarene optiske fibre (som er de operative elementene i Internett).
I rekken bør også nevnes den grunnleggende forskningen på det som har vist seg å være verdens viktigste oppfinnelse: transistoren. Historien er nå i ferd med å gjenta seg gjennom den grunnleggende forskningen på topologiske materialer og topologiske faseomvandlinger. Nobelprisen i fysikk 2016 er uten tvil en av de mest fortjente de siste 30 år.
FØLG DEBATTEN: og
