разбор

Нобелевскую по физике вручили за топологические фазовые переходы. Как это отразится на развитии компьютеров? Объясняет физик Эдуард Девятов

Источник: Meduza

Во вторник, 4 октября, Нобелевский комитет назвал лауреатов премии по физике в 2016 году. Ими стали американец Дэвид Таулес, британец Дункан Холдейн и шотландец Майкл Костерлитц — за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи. Результатом работы, продолжавшейся несколько десятилетий, стал подход к описанию необычных физических эффектов, которые появляются у веществ в некоторых экзотических состояниях. Эдуард Девятов, доктор физико-математических наук и ведущий научный сотрудник Института физики твердого тела РАН, объясняет по просьбе «Медузы», за что именно ученые получили премию. 

За какую работу физикам дали премию?

Речь не об одной конкретной работе, а о продолжительной и не всегда совместной деятельности. Например, у Таулеса эта деятельность длится лет пятьдесят. Результат этой деятельности — некий общий подход к описанию огромного класса исследований по физике твердого тела. Таулес и Холдейн в каком-то смысле родоначальники такого подхода. До определенного момента подход использовался в единичных случаях, а потом оказалось, что эффекты, которые с его помощью можно объяснить, — это довольно общее явление. Эффекты появляются в веществах, которые находятся в так называемых топологических фазах (состояниях) и при топологических фазовых переходах. 

Что еще за «топологические фазовые переходы»?

Что такое фазовый переход, все представляют: например, лед тает и превращается в воду — сменилось фазовое состояние вещества. Бывают нетривиальные переходы, например, переход металла в сверхпроводящее состояние (происходит при очень низких температурах — прим. «Медузы»).

Топология — это раздел в математике; она, например, объясняет, чем шар отличается от бублика — одно нельзя превратить в другое с помощью непрерывной деформации, потому что у бублика есть дырка, а у шара — нет (см. фото вверху — прим. «Медузы»). А в физике топология описывает не форму предмета, но некую форму физических законов. Это довольно общие соображения, но иногда с их помощью можно объяснить эффекты, которые иначе объяснения бы не нашли.

А пример привести можно?

В последние годы в экспериментальной физике твердого тела появилась горячая тематика для исследований — топологические изоляторы. Такие вещества сами по себе не проводят электрический ток, но на тонком слое поверхности превращаются в проводники (то есть проводят электрический ток). И неважно, будет ли на поверхности деформация или грязь — проводящее состояние возникнет, нужен только сам факт наличия поверхности. Состояние появляется из-за специфики распределения энергии электронов диэлектрика. Ее как раз можно описать некими общими вещами, «топологическим» подходом.

Необычные состояния можно создать, например, в полевом транзисторе — основном элементе микросхем, которые стоят в компьютерах. Добиться этого можно, изменяя определенные параметры — состав вещества, силу магнитного поля, — и описать с помощью того же подхода.

Польза от этого есть?

Есть знаменитый закон Мура (Гордон Мур, основатель Intel — прим. «Медузы»): количество транзисторов на единицу площади удваивается каждые два года. Он вывел его эмпирически в 1960-х. Сейчас мы делаем транзисторы настолько маленькими, что дальше некуда — мы приблизились к атомарным размерам; мы уперлись в потолок. Теперь важно понять, какие процессы в физике твердого тела можно использовать, чтобы разрабатывать новые процессоры и дальше повышать их мощность. Описать эти процессы можно с помощью «топологического» подхода.

Проблемы в квантовой криптографии (метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики — прим. «Медузы») тоже можно решить не с помощью фотонов, а с помощью разных состояний вещества — и, опять же, описать с помощью того же подхода. Он поможет и при решении вопросов квантовых вычислений — если, конечно, вы относитесь с оптимизмом к самой идее квантовых компьютеров, потому то она вызывает вопросы (подробнее о квантовых компьютерах можно прочитать в этих карточках). 

Основное преимущество этого подхода в том, что он хорошо интегрируется с существующей электроникой — таким образом, можно использовать те же технологические процессы при ее производстве.