Нобелівська премія з фізики: чим важливе відкриття топологічних фазових переходів

Лауреатами Нобелівської премії з фізики в 2016 році стали Девід Таулесс (David Thouless) з Вашингтонського університету, Дункан Халдейн (Duncan Haldane) з Прінстонського університету і Майкл Костерліц (Michael Kosterlitz) з Брауновського університету - "за теоретичні відкриття топологічних фазових переходів та топологічні фази матерії".

Значимість відкриття з погляду його практичного застосування прокоментував для DT.UA Сергій Шарапов, доктор фізико-математичних наук, завідувач лабораторією відділу нелінійної фізики конденсованого стану Інституту теоретичної фізики ім.. М. Боголюбова НАН України:

- Нобелівська премія з фізики за 2016 рік виявилася несподіванкою для більшості фахівців, оскільки вона присуджена трьом фізикам-теоретикам у галузі фізики конденсованого стану: Девіду Таулессу, Дункану Халдейну та Майклу Костерліцу з формулюванням "за теоретичні відкриття топологічних фазових переходів та топологічні фази матерії".

Перші роботи Костерліца та Таулесса датуються початком 70-х років минулого сторіччя. Мова йде про так званий фазовий перехід Костерліца-Таулесса (КТ). Теоретичне, а потім і експериментальне відкриття переходу КТ суттєво змінило парадигму фізики конденсованого стану. Стара парадигма заперечувала існування явищ надплинності або надпровідності, та й взагалі будь-якого впорядкованого стану у двовимірних системах. (Нагадаю нещодавнє експериментальне відкриття такої двовимірної системи, як графен, що утворений єдиним шаром атомів, існування якого вважалося теоретично забороненим).

Необхідно підкреслити, що пострадянські фізики називають КТ перехід переходом Березинського-Костерліца-Таулесса (БКТ), оскільки роботи радянського фізика, до того ж, виконані раніше, теж суттєво вплинули на розвиток цієї галузі. Втім, як іронічно казав про себе Нобелівський лауреат Віталій Гінзбург: "Главная моя заслуга, что я все-таки дожил до своей Нобелевской премии, а многие выдающиеся ученые – нет." Шкода, але це стосується і народженого в Києві Вадима Березинського, ім'я якого згадується у науковому обґрунтуванні Нобелівського комітету.

Інші роботи Давіда Таулесса (а він отримав половину грошового утримання премії), які згадуються у прес-релізі Нобелівського комітету, присвячені більш глибокому розумінню цілочисельного квантового ефекту Холла у термінах так званих топологічних інваріантів, або чисел Черна. Все це показує глибокий зв'язок між сучасною теоретичною фізикою та математикою.

Якщо говорити про практичне застосування результатів, то слід зауважити, що вся сучасна електронна промисловість давно вже використовує саме пристрої, що працюють в умовах квантового ефекту Холла у якості метрологічного стандарту електричного опору: без цього неможливо створити жоден гаджет. Для своєї роботи стандарти опору зазвичай потребують сильного магнітного поля, створювати яке непросто і часто дорого. Але ситуація змінилася у 2013 році завдяки спостереженню квантового ефекту Холла у магнітних топологічних ізоляторах, опис яких був би неможливий без теоретичних досліджень Дункана Халдейна.

Насамкінець зазначу, що наразі в Україні залишилось не так багато фахівців, які розуміють та можуть навчити студентів всім нюансам, пов'язаним з результатами, відзначеними цією премією. І, на жаль, коли запитують про вірогідність української Нобелівської премії, то на часі запитання не "коли її отримає науковець, який працює в Україні?", а чи будуть в Україні за такого ставлення її влади до освіти і науки через 10 років спеціалісти, спроможні хоча б зрозуміти та розказати іншим, за що саме присудили чергову Нобелівську премію з фізики, а також іншої когнітивної науки.