Beberapa penjelajah telah mempelajari dunia yang lebih asing daripada tiga Pemenang Nobel terbaru, yang baru saja memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun ini. Fisikawan terkemuka ini telah dihormati untuk pekerjaan mereka pada beberapa keadaan materi paling eksotis, memahami misteri fundamentalnya dan membuka pintu bagi era eksplorasi dan pengembangan saat ini untuk bahan baru seperti logam topologi, isolator, dan superkonduktor.
Konten terkait
- Apa yang Dibutuhkan untuk Menangkan Hadiah Nobel? Empat Pemenang, dengan Kata-Kata Mereka Sendiri
Royal Swedish Academy of Sciences bersama-sama memberikan hadiah dengan setengah hadiah untuk David J. Thouless, dari Universitas Washington, dan setengah lainnya untuk F. Duncan M. Haldane, dari Universitas Princeton dan J. Michael Kosterlitz dari Brown University “ untuk penemuan teoretis tentang transisi fase topologis dan fase topologi materi. ”Jika itu kedengarannya abstrak bagi Anda, Anda tidak sendirian: Prestasi para pemenang begitu esoteris sehingga seorang anggota komite berusaha menunjukkannya menggunakan sejumlah roti sarapan.
Thouless, Haldane, dan Kosterlitz bekerja di bagian nyata dari dunia fisik yang dapat digambarkan sebagai "dataran datar". Dunia ini ditemukan di permukaan materi, atau lapisan dalam yang sangat tipis sehingga pada dasarnya dua dimensi; pada kenyataannya, beberapa karya Haldane berfokus pada benang yang sangat tipis sehingga mereka pada dasarnya satu dimensi. Di sini, materi mengambil beberapa bentuk yang paling aneh.
Selama tahun 1970-an dan 1980-an, para ilmuwan mengungkapkan rahasia bentuk-bentuk aneh yang ditemukan di dunia ini, termasuk superkonduktor, superfluida dan film magnetik tipis. Pagi ini, fisikawan Universitas Stockholm Thors Hans Hansson, anggota Komite Nobel untuk Fisika, menjelaskan konsep matematika elegan yang mereka gunakan untuk penemuan pemenang hadiah menggunakan roti kayu manis, bagel, dan pretzel.
Topologi adalah sistem matematika yang berfokus pada sifat-sifat yang hanya berubah dengan kenaikan yang didefinisikan dengan baik. Dalam contoh makanan sarapan Hansson, yang penting roti tidak memiliki lubang, bagel memiliki satu lubang dan pretzel memiliki dua lubang. "Jumlah lubang adalah apa yang oleh topologi disebut sebagai invarian topologi, " Hansson menjelaskan pada konferensi pers. “Anda tidak bisa memiliki setengah lubang, atau dua dan dua pertiga lubang. Invarian topologis hanya dapat memiliki bilangan bulat. "
Ternyata banyak aspek materi eksotis juga menganut konsep satu lubang, dua lubang ini.
Pada tahun 1982, Thouless menggunakan ide ini untuk menjelaskan efek misterius quantum Hall dari konduktansi listrik. Dalam lapisan tipis pada suhu yang sangat rendah dan medan magnet tinggi, konduktansi listrik ditemukan untuk membangun dalam unit yang dapat diukur dengan presisi ekstrim: pertama tidak ada, kemudian satu unit, kemudian dua unit. Thouless membuktikan bahwa langkah-langkah efek ini dapat dijelaskan oleh invarian topologis. Ini bekerja dengan banyak bilangan bulat, seperti jumlah lubang yang tidak bisa diubah dalam contoh makanan sarapan.
Pada tahun 1988, Duncan Haldane mendorong garis penelitian ini ke perbatasan baru, menemukan bahwa lapisan semikonduktor tipis dapat menampung efek Hall kuantum bahkan tanpa medan magnet.
Penelitian para penerima hadiah juga mengungkapkan fase materi baru yang dapat dilihat pada suhu mendekati nol absolut (-273 ° C). Pada tahun 1983, Haldane menemukan satu set atom magnetik dalam sebuah rantai — jenis pertama dari materi topologi baru yang pernah ditemukan. Prestasi itu meluncurkan perlombaan yang berkelanjutan untuk menemukan fase topologi baru dari materi yang tersembunyi di dalam lapisan, rantai dan bahan tiga dimensi biasa.
Penemuan ini saat ini mungkin dianggap abstrak atau eksotis, tetapi suatu hari nanti bisa membuka jalan bagi penemuan bahan-bahan biasa yang sangat diperlukan, kata Hansson. "Apa yang eksotis bagi kita sekarang mungkin tidak begitu eksotis dalam 20 atau 30 tahun, " katanya kepada wartawan Joanna Rose beberapa saat setelah pengumuman. "Listrik sangat eksotis ketika pertama kali muncul dan tidak eksotis lagi."
Topologi telah mengubah pemahaman tradisional kita tentang bagaimana materi berubah. Secara umum, perubahan fasa terjadi ketika suhu berubah, yaitu ketika air membeku. Tetapi pada suhu yang sangat dingin, keadaan materi yang akrab — gas, cairan dan padatan — memberi jalan bagi fase dan perilaku baru yang aneh. Arus listrik dapat mengalir tanpa hambatan, memungkinkan superkonduktor. Fase material baru seperti superfluida (yang Pyotr Kapitsa Rusia memenangkan Hadiah Nobel Fisika 1978) dapat berputar dalam pusaran yang tidak pernah melambat.
Selama tahun 1970-an, Thouless dan Kosterlitz menemukan cara yang sama sekali baru di mana materi dapat berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain di daerah yang aneh ini — transisi topologi yang didorong oleh pusaran kecil, seperti tornado kecil di dalam bahan datar. Pada suhu rendah vortex membentuk pasangan, yang kemudian tiba-tiba terpisah satu sama lain untuk berputar sendiri ketika suhu naik ke titik transisi.
Transisi ini, dijuluki "Transisi KT, " menjadi alat revolusioner yang memungkinkan para ilmuwan untuk mempelajari materi terkondensasi, fisika atom dan mekanika statistik.
Ketika ditelepon oleh Akademi, Haldane menyatakan dirinya terkejut dan bersyukur atas kehormatan itu. "Pekerjaan ini sudah lama sekali, tetapi baru sekarang banyak penemuan baru yang luar biasa yang didasarkan pada karya asli ini ... sekarang terjadi, " katanya. Hansson menggemakan pemikiran itu, mencatat bahwa para ilmuwan di seluruh dunia sekarang menggunakan alat ini untuk bekerja menuju aplikasi praktis dalam elektronik, bahan baru dan bahkan komponen dalam komputer kuantum baru.
Namun pertama dan terutama, Hansson menekankan, hadiah itu dimaksudkan untuk menghormati ilmu pengetahuan yang luar biasa. “Mereka menggabungkan matematika yang indah dan wawasan mendalam ke dalam fisika, mencapai hasil yang tidak terduga. Untuk itulah hadiahnya, ”tambahnya. "Ini sangat indah dan dalam."
