Praha – Oblíbeným námětem některých autorů sci-fi je svět, který má jen dva rozměry (přesněji řečeno jehož třetí rozměr je velmi malý), protože disponuje vlastnostmi v našem trojrozměrném vesmíru těžko představitelnými.
Zdaleka ale nejde jen o fantazii. I tloušťky vrstev skutečných materiálů je možné omezit jen na několik málo atomů. Hmota se pak začne chovat úplně jinak, než jsme zvyklí.
Děje se tak kromě jiného proto, že se tu mnohem zřetelněji uplatňují zákony kvantové fyziky – v našem světě těžko postřehnutelné.
Právě těmito fenomény se zabývá trojice letošních laureátů Nobelovy ceny za fyziku – britští vědci David Thouless, Duncan Haldane a Michael Kosterlitz, kteří působí v USA.
Přínos oceněných vědců spočívá v tom, že pro studium těchto jevů použili topologii – obor matematiky, který se (velmi zjednodušeně řečeno) zabývá vlastnostmi geometrických útvarů za určitých specifických okolností.
Ukázalo se, že topologické postupy mohou být užitečné právě při studiu chování tenkých vrstev, včetně materiálů zajímavých i z praktického hlediska, jako jsou například supravodiče nebo magnety. Trojice vědců tak dalším odborníkům poskytla nástroj k pochopení jevů, kolem nichž do té doby panovala řada nejasností.
"Věřím, že výběr laureátů byl naprosto správný," komentoval letošní cenu za fyziku profesor Steve Bramwell z Londýnského centra pro nanotechnologie.
"Úkolem fyziky je studium hmoty, objasňování základních principů jejího chování a předpovídání dosud neznámých jevů... Průlomový přínos těchto vědců spočívá v tom, že umožnili výrazný pokrok v chápání a předvídání vlastností mnoha materiálových systémů," uvedl.
Naděje pro supravodivost a kvantové počítače
Michael Kosterlitz a David Thouless se uplatněním topologických metod v materiálovém výzkumu zabývali na přelomu 60. a 70. let minulého století.
Už v roce 1970 zveřejnili práci, v níž popsali mechanismy umožňující vysvětlit supravodivost a supratekutost v tenkých vrstvách při extrémně nízkých teplotách. Objasnili také, proč tyto jevy při zvýšení teploty mizí.
Ve stejné době Duncan Haldane zjistil, že pomocí topologických metod jde také vysvětlit chování řetězců malých magnetů (na úrovni atomů), které se nacházejí v některých materiálech. Ocenění vědci také předvedli, že jde takto vysvětlit změny elektrických a magnetických vlastností při fázových přechodech, tedy v okamžicích přechodu hmoty z jednoho skupenství do jiného.
Vědci si od těchto objevů slibují především další pokrok ve výzkumu exotických stavů hmoty a při studiu supravodivosti (stavu, kdy některé materiály při nízkých teplotách mají téměř nulový elektrický odpor). Materiály vzniklé pomocí topologických metod ale mohou mít i praktické využití: uplatní se při vývoji nových elektronických prvků a kvantových počítačů.
