У 2016 році Нобелівську премію з фізики присуджено теоретикам, які досліджували незвичайні статки, або як кажуть фізики, фази матерії. До них належать, зокрема, надпровідники, супержидкості (надплинні рідини), тонкі магнітні плівки.
Лауреатами стали три британські фізики-теоретики, які працюють в університетах США: Девід Таулес (Thouless) з Вашингтонського університету, Дункан Халдейн (Haldane) з Прінстонського і Майкл Костерліц (Kosterlitz) з Браунівського. Їх відкриття призвели до проривів у теоретичному розумінні таємниць природи та відкриття нових перспектив з розробки інноваційних матеріалів.
Навіть невеликі, дуже тонкі фрагменти матерії складаються з мільйонів атомів, і хоча поведінка окремого атома в цілому може бути пояснена за допомогою квантової фізики, їх колективна поведінка показує абсолютно несподівані властивості. Нові колективні явища у фізиці конденсованих середовищ - одні з найпомітніших областей сучасної фізики.
Для дослідження незвичайних властивостей знадобилися нестандартні математичні методи. Лауреати звернулися до топології, розділу математики, що займається вивченням того, які властивості залишаються незмінними, коли об'єкт деформується. Наприклад, шматок глини можна без розриву перетворити на тарілку, але не на чашку з отвором на ручку або бублик. Перехід від одного топологічного стану в інший (від тарілки до чашки) завжди пов'язаний зі стрибком (розривом), що пов'язується у фізиці з квантуванням характеристик, тим, що вони приймають не довільні, а деякі фіксовані значення.
Саме використання топологічних понять у фізиці стало вирішальним для відкриттів, здійснених лауреатами 2016 року. За допомогою сучасної топології ними були отримані дивовижні результати, які відкрили нові напрямки досліджень і призвели до створення нових і важливих понять відразу в декількох областях фізики. Це зазначено і у формулюванні Нобелівського комітету, яке свідчить, що фізики нагороджені за «теоретичні відкриття топологічних фазових переходів і топологічних фаз матерії».
Топологічні фазові переходи принципово відрізняються від звичних фазових переходів, коли, наприклад, вода перетворюється на лід. Провідну роль у топологічному переході відіграють малі вихори в плоскому шарі. При дуже низьких температурах вони утворюють щільні пари. При нагріванні, при певній температурі відбувається раптове видалення вихорів один від одного, що істотно змінює властивості матеріалу. Таке порушення порядку зручно описувати саме в рамках топології. Так можна описати перехід в надплинний або надпровідний стан. Зокрема, саме подання електронів як квантової топологічної рідини дозволило Холдейну пояснити квантовий ефект Холла, в якому при відносно вільному русі електронів спостерігається квантування провідності (опору) матеріалу.
Чудова властивість топологічного підходу полягає в тому, що він універсальний і може бути використаний для різних завдань і типів матеріалів. Він став корисним інструментом, не тільки в світі конденсованої речовини, але і в інших областях фізики, таких як атомна фізика або статистична механіка.
Костерліц і Таулесс займалися явищами, що виникають в «плоскому світі» - на поверхні або всередині дуже тонких шарів, які при нехтуванні товщиною можна вважати почесними. Холдейн же вивчав практично одномірні структури.
В останнє десятиліття широко досліджуються топологічні ізолятори, топологічні надпровідники і топологічні метали. Фізики сподіваються, що топологічні матеріали будуть корисні в електроніці, надпровідниках і в майбутніх квантових комп'ютерах.
Сума грошової винагороди цього року становитиме 8 мільйонів шведських крон (близько 950 тисяч доларів). З них половину отримає Девід Таулес, а іншу половину розділять Дункан Холдейн і Майкл Костерліц.
За матеріалами Нобелівського комітету