Итак, Нобелевскую премию по физике в 2016 году получили Дэвид Таулес, Дункан Холдейн и Майкл Костерлитц за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи. Что это такое и почему эти открытия так важны?

Исследования Дэвида Таулеса из Вашингтонского университета, Дункана Холдейна из Принстонского университета и Майкла Костерлитца из Брауновского университета относятся к теоретической физике конденсированного состояния вещества и связаны с описанием так называемого фазового перехода Березинского-Костерлица-Таулеса (БКТ-переход). Это переход из состояния связанных пар вихрь-антивихрь при низких температурах в состояние с неспаренными вихрями и антивихрями при некоторой критической температуре.

БКТ-переходы можно наблюдать в некоторых двумерных системах в физике конденсированных сред, которые аппроксимируются с помощью XY-модели, в том числе в массиве джозефсоновских контактов и в тонких сверхпроводящих гранулированных плёнках. Фазовым переходом Березинского-Костерлица-Таулеса также иногда называют пиннинг куперовских пар в изолирующем режиме из-за сходства с обычным вихревым БКТ-переходом.

Одним из первых описание фазового перехода предложил советский физик-теоретик Вадим Березинский, который скончался в 1980 году. Работы Таулеса, Холдейна и Костерлитца позволили точнее описать такие явления как сверхпроводимость, сверхтекучесть и магнетизм двумерных материалов. Учёные впервые смогли объяснить, почему электрическое сопротивление в тонких слоях материи изменяется ступенчато с ростом индукции приложенного магнитного поля.

Топология — это область математики, которая изучает непрерывность различных объектов и явления, при которых переход от одного объекта к другому требует ступенчатых нарушений этой непрерывности. С точки зрения топологии, к примеру, чашка эквивалентна бублику — с помощью непрерывных преобразований можно преобразовать один объект в другой, не разрывая материю. Шар при этом не эквивалентен тору, потому что для преобразования одного в другое потребуется нарушить непрерывность материи.

С помощью топологии лауреаты объяснили, как сверхпроводимость или сверхтекучесть может возникать в двумерных материалах, что до сих пор считалось невозможным. Таулес, Холдейн и Костерлитц также указали механизм фазового перехода от сверхпроводящего состояния при низких температурах к обычному состоянию при высоких температурах, за что и удостоились Нобелевской премии по физике 2016 года.