Co ma bułka do obwarzanka, czyli Nobel za topologiczne materiały

Grzegorz Jasiński: Jeśli czytamy w uzasadnieniu Komitetu Noblowskiego, że laureatów wyróżniono za "teoretyczne odkrycia dotyczące topologicznych przejść fazowych oraz topologicznych stanów materii" to powiedzmy sobie szczerze - dla przeciętnego miłośnika nauki nie jest moment, kiedy wykrzykuje: "o rany, wiem o co chodzi", raczej zapada kłopotliwe milczenie. Muszę więc poprosić pana profesora o wytłumaczenie, o co chodzi. Najpierw z tą topologią...

Tomasz Dietl: Wszyscy znamy własności geometryczne, na przykład to, czym różni się trójkąt od okręgu, czy kwadratu, natomiast bardzo często zajmujemy się też własnościami topologicznymi - pytamy, ile otworów jest w danym kawałku materiału. Z punktu widzenia topologii na przykład bułka i obwarzanek są w innej klasie topologicznej, niezależnie czy ta bułka ma kształt trójkątny, czy kwadratowy. Widzimy, że przechodząc od jednej figury do drugiej możemy przez proste odkształcenia przejść od trójkąta do kwadratu, natomiast jeśli mamy materiały o różnej klasie topologicznej, choćby bułkę i obwarzanek, to nie jest takie proste. Żeby z bułki przejść do obwarzanka musimy wykonać dość dramatyczny ruch, musimy w bułce zrobić dziurkę. Zmiany własności topologicznych następują skokowo, jest otwór, bądź nie ma otworu...

Na szczęście, jeśli chcemy zjeść na śniadanie obwarzanek i popić kawą z kubka z uszkiem, to mamy dwa obiekty topologicznie tożsame...

Tak, obwarzanek i filiżanka z uszkiem to z tego punktu widzenia to samo, podobnie, jak szklanka i bułka. Natomiast szklanka różni się od kubka, bo szklankę, gdyby była z miękkiego materiału, można płynnymi ruchami sprowadzić do płaskiej figury, niczego nie rozrywając. Natomiast po to, by sprowadzić do płaskiej figury kubek z uszkiem, musimy go poważnie odkształcić, zmienić w sposób nieciągły, by już nie miał otworu. Trzeba sobie zdawać sprawę, że fizyków przez wieki interesowały własności geometryczne, na przykład jak są ułożone atomy, to w pewnym stopniu określało własności materiałów, od tego zależało, czy materiał jest przewodnikiem, metalem, czy jest półprzewodnikiem. Ostatnio natomiast zainteresowania fizyków skierowały się w stronę pytania, czy pewne własności topologiczne również wpływają na własności materiałów. Czy są materiały, których własności nie zależą od odkształceń i zmieniają się skokowo, tak jak przejście od bułki do obwarzanka? Tego właśnie dotyczy ta nagroda Nobla. 

Jak można sobie wyobrazić takie przejście fazowe?

Są bardzo ciekawe przejścia fazowe w materiałach, które są bardzo płaskie, praktycznie dwuwymiarowe. W przypadku materiału magnetycznego to przejście nie przejawia się w takiej postaci, że pojawia się pewne uporządkowanie magnetyczne. Nie chodzi o sytuację taką, jak przy przejściu od materiału paramagnetycznego, nie magnetycznego do ferromagnetycznego, który jest magnetyczny. Przejście, o które nam chodzi, przejawia się poprzez powstanie wirów, które mają charakter topologiczny, nie można ich prosto odkształcić do materiału bez tych wirów. Charakter tych wirów, czy one są połączone, czy rozdzielone determinuje nam, w jakiej fazie jest dany materiał. czy to jest faza, która może być analogiem uporządkowanego ferromagnetyka, czy może być analogiem paramagnetyka. Laureaci tegorocznej nagrody Nobla zajmowali się tym problemem już wiele lat temu. W latach 70. pokazano, że istnieje pewna klasa niespodziewanych przejść fazowych w płaskich materiałach, w których nie spodziewano się uporządkowania dalekiego zasięgu. Natomiast późniejsze prace, już w latach 80., dotyczyły przewodnictwa elektrycznego. Mierzono w pewnych warunkach przewodnictwo elektryczne - za to była nagroda Nobla w 1985 roku - i okazało się, że w bardzo silnych polach magnetycznych, też w materiałach płaskich, dwuwymiarowych, następuje skokowa zmiana przewodnictwa. Co było bardzo ciekawe, wielkość tego skoku była uniwersalna, zależała tylko od ładunku elementarnego i stałej Plancka. To było zaskoczenie, bo z reguły przewodnictwo w materiałach zależy od wielu czynników, choćby temperatury. Tu okazało się, że to przewodnictwo jest skwantowane, zmienia się skokowo. Tak, jak to dziś rozumiemy, to dlatego, że przewodnictwo w układach dwuwymiarowych w silnych polach magnetycznych jest określone nie przez własności geometryczne, ale topologiczne. W związku z tym, jak przechodzimy od jednej klasy topologicznej do drugiej, z sytuacji, kiedy mamy jeden otwór do sytuacji kiedy mamy dwa otwory, oczywiście w innej przestrzeni, niż rzeczywista, następuje skok przewodnictwa i to o wielkość skwantowaną. 

W komunikacie Komitetu Noblowskiego pojawiła się informacja o niezwykłych stanach materii, egzotycznych stanach, których te badania dotyczyły i o ich pewnych właściwościach, które już powinny być bliższe szerszej opinii publicznej. Chodzi o zjawisko nadprzewodnictwa i nadciekłości, które wiążą się z pewnymi, szczególnymi warunkami, w których znajduje się materiał... Co to są te egzotyczne materiały?

Takim egzotycznym materiałem, w pewnym sensie dobrze już znanym jest nadprzewodnik - materiał, w którym prąd elektryczny jest przewodzony bez oporności elektrycznej, bezstratnie. To już zaczynamy wykorzystywać do przesyłania energii elektrycznej. Lewitujące pociągi wykorzystują nadprzewodnictwo, bo bezstratny przepływ prądu w odpowiednio skonstruowanych cewkach może wywołać silne pole magnetyczne. Z nadprzewodnika wypychane są linie sił pola magnetycznego, to daje tę siłę nośną i pociąg może poruszać się bez tarcia. Nadprzewodnictwo jest z nami od wielu, ponad stu lat i wciąż fascynuje nas, dlaczego prąd przepływa bez oporu. Podobnie jest z nadciekłością, która jest znana podobnie długo. Jak to się dzieje, że hel w bardzo niskich temperaturach, ciekły hel, porusza się bez żadnej lepkości? Te zjawiska tłumaczymy pewnymi charakterystycznymi właściwościami cząstek, w zależności od tego, czy ich moment magnetyczny, spin jest parzysty, czy nieparzysty. To jest sprawa w fizyce znana, natomiast to, co jest nowe, to jest charakter pewnych przejść fazowych, jak te materiały się w funkcji temperatury zachowują, gdy zrobimy z nich warstwy płaskie, dwuwymiarowe. Okazuje się, że przejście od tego stanu nadciekłego, czy nadprzewodzącego, do stanu nienadciekłego, czy nieprzewodzącego, odbywa się właśnie na zasadzie przejścia topologicznego. Powstają tam te wiry, o których mówiliśmy poprzednio. To odkrycie zostało dokonane w latach 70. i później potwierdzone doświadczalnie. A skoro mówiliśmy o skoku tego przewodnictwa elektrycznego, to w ostatnich latach, dokładnie w 2013 roku odkryto grupę materiałów, w których bez pola magnetycznego, w warunkach niskich temperatur, też jesteśmy w stanie doprowadzić do powstania takiego materiału. Materiału, gdzie przewodnictwo zmienia się w sposób skokowy i ten skok zależy tylko od ładunku elementarnego i stałej Plancka. Myślę, że te ostatnie odkrycia w jakiś sposób zwróciły uwagę na to, że te zjawiska topologiczne, odkryte w latach 70., czy 80., w tej chwili mają ogromne znaczenie, dużo większe, niż się wtedy spodziewano. I dlatego teraz tę nagrodę przyznano, nie wcześniej.

W przypadku tej nagrody, podobnie jak w przypadku wielu innych, prace bardziej teoretyczne zostały zauważone i wyróżnione przez Komitet Noblowski, gdy prace doświadczalne w pełni pokazały, że przewidywania teoretyczne są prawdziwe...

Tu można powiedzieć więcej - te przewidywania teoretyczne zostały potwierdzone dość szybko po samej propozycji, ale dotyczyło to na przykład warstw ciekłego helu, czy nadprzewodników. Natomiast ostatnio odkryto całą klasę materiałów, które mają właściwości topologiczne i to prawdopodobnie zdecydowało, że Komitet Noblowski teraz zdecydował się nagrodę przyznać. Topologia stała się bardzo ważną częścią fizyki materii skondensowanej, a te nowe materiały badane są w wielu laboratoriach i dają szansę na ciekawe zastosowania...

Czy możemy je sobie jakoś wyobrazić? Czy mogą funkcjonować w normalnych warunkach, czyli na przykład w normalnej, nie niskiej temperaturze, nie pod wysokim ciśnieniem?

Zależy, o jakich własnościach mówimy. Część własności, które chcemy na przykład użyć w metrologii, wykorzystując fakt, że skok przewodnictwa zależy tylko od stałych fundamentalnych, przejawia się dobrze tylko w bardzo niskich temperaturach. Ale są też własności, o których wiemy, że będzie można je wykorzystać w temperaturze pokojowej. One wiążą się z dziedziną nauki, znaną jako spintronika. Wszyscy korzystamy z twardych dysków i wiemy, że namagnesowanie zmieniamy w nich polem magnetycznym, taką małą cewką, która porusza się po twardym dysku. Okazuje się, że te nowe materiały, te stany topologiczne pozwalają na wytworzenie prądów, w których elektrony, które mają swój moment magnetyczny, będą skierowane w jedną stronę i będą mogły służyć do przełączania namagnesowania na przykład w pamięciach magnetycznych. To jest jedno z zastosowań, o których się mówi. 

Oprócz materiałów przewodzących mówi się też o topologicznych izolatorach. Do czego mogą się przydać?

To bardzo ciekawe. Te izolatory topologiczne charakteryzują się tym, że w środku materiału mamy izolator, który prądu nie przewodzi, natomiast na powierzchni, czy - w przypadku dwuwymiarowym - na krawędzi tych materiałów płynie prąd, w którym kierunek spinu, momentu magnetycznego elektronów jest związany z kierunkiem prądu elektrycznego i mogą służyć do przełączania namagnesowania. Wykorzystując izolatory topologiczne mamy szansę stworzenia nowej generacji pamięci komputerowych. Ten prąd charakteryzuje się zresztą nie tylko tym, że ma wyróżniony kierunek spinu elektronów, ale także tym, że w wielu sytuacjach porusza się bezstratnie, czy z dużo mniejszymi stratami, niż w przypadku normalnych materiałów. To nie jest ten sam mechanizm, co w nadprzewodnikach, ale i tu jest nadzieja na stworzenie na przykład komputerów, których połączenia nie będą się grzały. Główny problem laptopów, które się nam grzeją na kolanach wiąże się właśnie ze stratnością przepływu prądu. Ta energia nie jest do niczego potrzebna, jak prąd płynie przez przewodnik wytwarza ciepło. Być może, wykorzystując izolatory topologiczne, czy materiały pokrewne można by zużycie energii ograniczyć...

Jak szybko możemy spodziewać się tu jakiegoś przełomu? Czy to sprawa roku, dwóch, pięciu, czy raczej jednak dziesięcioleci?

W tej chwili, tak jak to widzimy, myślę, że to raczej jest kwestia dziesięcioleci. To nie jest technologia czy fizyka materiałów, która jest na takim stadium rozwoju, żeby to wykorzystywać od razu. Stąd jest ta potrzeba dość intensywnych badań własności fizycznych, własności materiałowych - jak te materiały otrzymywać, jak otrzymywać w sposób powtarzalny, jak spowodować, żeby to otrzymanie było tanie. To jest przedmiot badań, które w wielu laboratoriach zostały podjęte. 

Te badania są prowadzone także w Polsce. 

Tak, wraz z kolegami stworzyliśmy projekt i Fundacja Nauki Polskiej przyznała nam spore dofinansowanie na stworzenie nowego centrum, które ma się zajmować tymi materiałami topologicznymi, pewną klasą materiałów, w których istotny jest również magnetyzm i nadprzewodnictwo. Jeden z argumentów, który ułatwił nam otrzymanie tego projektu był związany z tym, że te materiały mają właśnie ciekawe własności, o których mówiłem. Te materiały mogą mieć również własności, które będą korzystne do wykorzystania zjawisk termoelektrycznych. Wszyscy wiemy, że jeśli jest pewna różnica temperatur, np. to jest istotne w  kominach czy w silnikach, mamy w naturalny sposób różnicę temperatur i tę różnicę w pewnych materiałach można wykorzystać do wytworzenia prądu elektrycznego. Stąd pomysły, żeby odzyskiwać energię też w silnikach samochodowych, poprzez używanie termoelektryczności i te materiały - to będzie przedmiotem naszych badań - mogą mieć własności, które spowodują, że będzie można je w sposób efektywny, ekonomicznie wykorzystać. Ale to nie jest sprawa najbliższych tygodni, miesięcy czy lat nawet. Raczej mówimy o dekadach. 

Nie jest tajemnicą, że jest pan jednym z tych polskich naukowców, o których mówi się, że są potencjalnymi kandydatami do Nagrody Nobla, że na te nagrodę zasłużyli. Czy pan w tej sytuacji, kiedy przychodzi komentować odkrycie innych, wyróżnionych w pokrewnej dziedzinie, ma teraz większą nadzieję, że ten Nobel będzie, czy mniejszą? Jak pan to odbiera?

Trzeba zdawać sobie sprawę, że lista zgłoszonych kandydatów jest bardzo długa. Jak się rozmawia z osobami, które są w komitetach noblowskich, to wiadomo, że taka krótka lista co roku to jest przeciętnie 300 nazwisk. Miałem przyjemność rzeczywiście być wśród tych kandydatów parę razy zgłaszany, ale do nagrody Nobla to oczywiście wciąż bardzo daleka droga. My na jakimś etapie przewidywaliśmy grupę materiałów, która mogłaby być wykorzystana również do pamięci magnetycznej. Ta grupa materiałów jest bardzo intensywnie badana właśnie w kontekście izolatorów topologicznych. Okazuje się, że wprowadzając do tych izolatorów  ferromagnetyzm, otrzymujemy bardzo ciekawe własności. Ale - jak mówię -  tutaj od zgłoszenia do szans otrzymania nagrody jest bardzo długa droga i nie włączam w dniu, kiedy są ogłaszane wyniki radia z jakimś drżeniem serca. Myślę, że jest to w tej chwili nierealne i trzeba to po prostu powiedzieć. 

Ale, czy dzisiejsza nagroda zmniejsza szanse w ciągu najbliższych kilku lat czy nie zaznaczenia?

Nie ma znaczenia. Natomiast jest to bardzo miłe, bo oczywiście pokazuje w tej chwili, że badanie tych materiałów jest bardzo ważne. Oczywiście składając ten projekt prawie rok temu nie przewidywaliśmy nagrody Nobla, teraz mamy potwierdzenie, że w tej chwili uważa się, że to jest superważny i warty podjęcia temat. Przyznanie nagrody Nobla za te pierwsze odkrycia nastąpiło właśnie dzięki temu, że to jest bardzo ważny temat i wiele laboratoriów podejmuje nad nim prace. Jest nam miło, że jesteśmy w grupie tych laboratoriów, które są zaawansowane w tych badaniach.