Årets Nobelpris i fysik går till David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane och J. Michael Kosterlitz för forskning om ovanliga materiefaser. Forskarna visade på 70-talet att supraledning och  suprafluiditet kan förekomma i tunna skikt och deras arbete har resulterat i ett stort intresse för nya exotiska materiefaser som kan användas i till exempel kvantdatorer.

Fasövergången inträffar när materiefaserna övergår i varandra, som när is smälter till vatten. Med hjälp av matematikens topologi beskrev Kosterlitz och Thouless en topologisk fasövergång i ett tunt skikt av mycket kall materia. I kylan bildades virvelpar som plötsligt löstes upp vid temperaturen för fasövergången. Det blev en av 1900-talets viktigaste upptäckter inom den kondenserade materiens fysik. Illustration: Johan Jarnestad.

Kungl. Vetenskapsakademien har beslutat utdela Nobelpriset i fysik 2016 med ena hälften till David J. Thouless, University of Washington, Seattle, WA, USA och med andra hälften till F. Duncan M. Haldane, Princeton University, NJ, USA och J. Michael Kosterlitz, Brown University, Providence, RI, USA ”för teoretiska upptäckter av topologiska fasövergångar och topologiska materiefaser”.

Årets pristagare öppnade portar till en okänd värld av materia som försätts i märkliga tillstånd. De har med avancerade matematiska metoder studerat ovanliga materiefaser som till exempel supraledare, supravätskor eller tunna magnetiska filmer. Deras pionjärarbeten har lett till att jakten på nya exotiska materiefaser nu pågår för fullt. Många hoppas på framtida tillämpningar, både inom materialvetenskap och elektronik.

Avgörande för de tre pristagarnas upptäckter var att de använde topologiska begrepp inom fysiken. Topologi är en gren av matematiken som beskriver egenskaper som förändras bara stegvis. Med den moderna topologin som verktyg kunde årets pristagare förbluffa experterna. I början på 1970-talet kullkastade Michael Kosterlitz och David Thouless den då rådande uppfattningen att supraledning eller suprafluiditet inte kan förekomma i tunna skikt. De visade att supraledning skulle uppstå vid låga temperaturer och förklarade även den mekanism, en fasövergång, som gjorde att supraledningen försvann när det blev varmare.

På 1980-talet kunde Thouless förklara ett tidigare experiment med mycket tunna elektriskt ledande skikt, där ledningsförmågan med ovanligt stor noggrannhet uppmättes till heltal. Han visade att dessa heltal var av topologisk natur. Ungefär samtidigt upptäckte Duncan Haldane hur topologiska begrepp kan användas för att förstå egenskaperna hos kedjor av små magneter som förekommer i vissa material.

Numera känner vi till många topologiska tillstånd, inte bara i tunna skikt och trådar, utan också i helt vanliga tredimensionella material. Detta är ett område som under det senaste decenniet utgjort frontlinjeforskning inom den kondenserade materiens fysik, inte minst på grund av förhoppningen om att topologiska material ska kunna användas i nya generationer av elektronik och supraledare, eller i framtida kvantdatorer. Men redan nu avslöjar forskarna materiens hemligheter i dessa exotiska världar som upptäckts av årets Nobelpristagare.

Prissumman är 8 miljoner svenska kronor, med ena hälften till David Thouless och andra hälften till Duncan Haldane och Michael Kosterlitz.

Filed under: SvenskTeknik