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本日、3 人の物理学者がノーベル物理学賞を受賞しました。これは、材料の表面におけるエキゾチックな量子状態に関する理解を書き換えたことによるものです。彼らの研究は、これらのシステムをトポロジー (表面を含む空間特性の数学的研究) に接続することによって、超伝導体と超流動体の挙動を説明しています。
賞金の半分は、シアトルのワシントン大学の物理学者である David J. Thouless に贈られ、残りの半分は、ブラウン大学の物理学者である J. Michael Kosterlitz と物理学者である F. Duncan M. Haldane に分けられます。プリンストン大学で。 3 人とも英国で生まれ、後に米国に移住しました。
超伝導体は、電気抵抗なしで電流を流すことができる物質です。科学者は、20 世紀初頭にそれらを最初に説明しました。世紀の半ばまでに、彼らはいくつの超伝導体が動作するかについての量子ベースの理論を開発しました。しかしパズルは残った.
たとえば、1980 年に実験物理学者のクラウス・フォン・クリッツィングは、量子ホール効果を発見しました。これは、材料の平らなシートを絶対零度近くまで冷却し、強い磁場に置くと、コンダクタンスが段階的に変化する奇妙な現象です。ファッション。磁場が変化すると、材料のコンダクタンスは値から値へとジャンプします。当時の物理学者はこの挙動を説明できませんでした。
数年後、Thouless は、量子論とトポロジーから借用した概念を組み合わせることで、量子ホール効果を説明しました。この数学の分野では、物体がねじれたり変形したりしても引き裂かれずに一定のままである物体の特性を研究します。たとえば、ドーナツと額縁は異なって見えますが、それぞれの中心に 1 つの穴があるため、トポロジー的には同じです。重要なことに、オブジェクトには整数の穴しかありません。たとえば、0、1、または 2 で、1.5 の穴はありません。同様に、Thouless は、導電性材料内の電子は個々のエンティティとして見ることができないことに気付きました。代わりに、コンダクタンスの整数値 (ゼロ、1、または 2 であり、決して 1.5 ではない) のみを取ることができる単一のコレクションとしてアプローチする必要がありました。 Thouless、Haldane と Kosterlitz は、トポロジーからこのような概念を借用することにより、薄膜および 1 次元オブジェクト (原子の鎖など) における量子材料の数学的記述を開拓しました。
この作業は、磁気テープから量子コンピューターまで、さまざまなシステムに適用されてきました。 「これら 3 人の科学者のブレークスルーにより、多くの材料系の特性の理解と計算が大幅に進歩しました。私の場合、磁性薄膜に関する 25 年間の研究の扉が開かれました。これは、コンピュータのハード ドライブが情報を保存するものです」と、ユニバーシティ カレッジ ロンドンの物理学者であるスティーブ ブラムウェルは、ガーディアン紙とのインタビューで述べています。 Haldane 氏は今朝、これらのアプリケーションのいくつかをほのめかしました。 「他のみんなと同じように、私はとても驚きました。そして、非常に満足しています」と彼は言いました。 「このオリジナル作品に基づいた多くの途方もない新しい発見が現在起こっています。」
いわゆるトポロジカル絶縁体で行われた研究を含む、これらの発見の詳細については、Natalie Wolchover の記事「」をお読みください。 逆説的な結晶が物理学者を困惑させる .」
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