Βραβείο Φυσικής Dirac για τους τοπολογικούς μονωτές

Shoucheng Zhang, Duncan Haldane and Charles Kane (left to right). (Courtesy: ICTP, University of Pennsylvania, Stanford University, Princeton University)

Το βραβείο Dirac για το 2012, απονεμήθηκε σε τρεις φυσικούς συμπυκνωμένης ύλης, για τη συνεισφορά τους στην κατανόηση ενός περίεργου φαινομένου που εμφανίζεται σε μια κατηγορία υλικών που ονομάζονται «τοπολογικοί μονωτές». Πρόκειται για τους Duncan Haldane από το πανεπιστήμιο Πρίνστον, τον Charles Kane από το πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, και τον Shoucheng Zhang από το Στάνφορντ.
To βραβείο απονέμει το Διεθνές Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής στην Τεργέστη της Ιταλίας (ICTP), από το 1985 κι έπειτα, κάθε χρόνο στις 8 Αυγούστου, προς τιμή του μεγάλου ’γγλου φυσικού του προηγούμενου αιώνα Paul Dirac, που γεννήθηκε εκείνη τη μέρα το 1902.

Τοπολογικός μονωτής λέγεται ένα υλικό που δεν είναι αγωγός ρεύματος στο εσωτερικό του, περνάει όμως ηλεκτρικό ρεύμα από την επιφάνειά του. Η συγκεκριμένη αλλόκοτη συμπεριφορά παρατηρήθηκε πρώτη φορά τη δεκαετία του 1970, σε υλικά υπό την παρουσία ισχυρού μαγνητικού πεδίου και σε χαμηλές θερμοκρασίες, και εξηγήθηκε με το κβαντικό φαινόμενο Hall, για το οποίο κέρδισε ανεξάρτητα το βραβείο Νόμπελ του 1985 ο Klaus von Klitzing. Υπό συγκεκριμένες περιπτώσεις, το μαγνητικό πεδίο εμποδίζει την κίνηση των ηλεκτρονίων στο εσωτερικό του υλικού, μετατρέποντάς το σε μονωτή, όμως στις παρυφές του υλικού τα ηλεκτρόνια μπορούν και κινούνται ελεύθερα.

Το ίδιο φαινόμενο παρατηρήθηκε αργότερα, κατά τη δεκαετία του ’80 και σε κανονικά υλικά, δίχως την παρουσία ειδικών συνθηκών. Ακόμη πιο περίεργο ήταν το γεγονός πως ακόμα και αν υπήρχαν ατέλειες στο υλικό, η επιφάνεια συνέχιζε να είναι ένα πολύ καλός αγωγός ρεύματος. Το κλειδί για την εξήγηση του φαινομένου ήταν πως τα μόρια στην επιφάνεια του υλικού βρίσκονται σε εκείνη τη θέση για «τοπολογικούς λόγους», η τοπολογία δηλαδή του υλικού προστατεύει τον αγωγό από ατέλειες ή φθορές. Ο καθηγητής Haldane ήταν εκείνος που έθεσε τις βάσεις για τη θεωρία με την έρευνά του για το συστήματα ηλεκτρονίων σε μία διάσταση. Οι Kane και Zhang επέκτειναν τη θεωρία και μάλιστα τοπολογικοί μονωτές σε δύο και τρεις διαστάσεις είχαν προταθεί θεωρητικά το 2005 και το 2007, πριν ανακαλυφθούν πειραματικά το 2007.

Πολλοί ερευνητές μελετούν το φαινόμενο των τοπολογικών μονωτών ώστε να κατανοηθεί πληρέστερα και να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές, καθώς πιστεύεται πως μπορούν να παίξουν ρόλο στους σύγχρονους υπολογιστές και στις τηλεπικοινωνίες. Πέρα από το γεγονός πως είναι μια κβαντική κατάσταση της ύλης που δε μας είναι ακόμη τελείως γνωστή, ενδιαφέρον για τους τοπολογικούς μονωτές προκύπτει κι από το γεγονός πως οι ιδιότητές τους μοιάζουν ως ένα βαθμό με αυτές των φερμιονίων Μαχοράνα, κάποιων υποθετικών για την ώρα σωματιδίων, τα οποία είναι ταυτόχρονα και αντισωματίδια.

Ο κβαντικός υπολογιστής είναι μια υπολογιστική συσκευή που χρησιμοποιεί τις κβαντικές
ιδιότητες της υπέρθεσης αλλά και του συσχετισμού για τους υπολογισμούς της.

                                        
«Καθώς αναπτύσσουμε νανοηλεκτρονικές συσκευές και κυνηγάμε στόχους όπως οι κβαντικοί υπολογιστές, η ύπαρξη αγωγών που λειτουργούν ό,τι κι αν γίνει είναι πολύ σημαντική», λέει ο φυσικός συμπυκνωμένης ύλης του ICTP Erio Tosatti ενώ προσθέτει «Πέρα από αυτό, υπάρχει και πολλή ομορφιά σ' αυτά τα θέματα».

Πηγή: Ναυτεμπορική Physicsword
 http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/aug/08/condensed-matter-trio-scoop-dirac-prize
 http://ikaros.teipir.gr/phyche/Talks/TalkKaravolas.pdf