R, 9.12.2022
Juhime tähelepanu, et artikkel on rohkem kui viis aastat vana ning kuulub meie arhiivi. Ajakirjandusväljaanne ei uuenda arhiivide sisu, seega võib olla vajalik tutvuda ka uuemate allikatega.

Eksootiliste ainete saladuste paljastamine tõi Nobeli

Riin Aljas
, teadustoimetaja
Eksootiliste ainete saladuste paljastamine tõi Nobeli
Facebook Messenger LinkedIn Twitter
Comments
Nobeli füüsikakomitee liige professor Thors Hans Hansson selgitamas saiakeste abil füüsikapreemia pälvinud töö olulisust.
Nobeli füüsikakomitee liige professor Thors Hans Hansson selgitamas saiakeste abil füüsikapreemia pälvinud töö olulisust. Foto: AFP / Scanpix

«See on nii keeruline, et ma ei oskaks seda kümneaastasele ka selgeks teha,» ütles Tallinna Tehnikaülikooli teoreetilise füüsika dotsent Vladislav Pustõnski vastuseks Postimehe palvele selgitada eile füüsika-Nobeli pälvinud tööd nii, et ka kolmeaastane laps saaks aru.

Pole ka imestada, sest kolmele briti teadlasele maineka auhinna toonud avastused seisavad kusagil teoreetilise füüsika ja kõrgema matemaatika piiril ning appi tuleb võtta sõnad «kvantmehaanika», «topoloogia» ning «eksootiline aine».

David Thouless, John Kosterlitz ja Duncan Haldane pälvisid tänavuse Nobeli preemia uue füüsikalise teooria eest, mis tõi murrangu mateeria käitumise arusaamadesse ning tegi võimalikuks uute omadustega materjalide loomise. Kaheksa miljoni Rootsi krooni (830 000 euro) suurusest preemiast läks pool Thoulessile, ülejäänu Kosterlitzi ja Haldane’i vahel jagamisele.

«Ma olen nende asjade suhtes natukene liiga britt või flegmaatik, nii et ma ei minestanud ega midagi sellist,» ütles 82-aastane Haldane oma võidureaktsiooni kohta. Hiljem tõdes mees siiski, et on preemia üle väga õnnelik ja tänulik, seda enam, et alles hiljuti on nende loodud teooria praktikas tõeliselt vilja kandma hakanud.

Maineka preemia toonud avastus oli nii abstraktne, et selgituseks tuli appi võtta kaneelirullid, kringlid ja sõõrikud.

Haldane’i, Kosterlitzi ja Thoulessi avastuste põhjal loodud ning eile Nobeliga pärjatud teooria tähendab eksootiliste materjalide saladuste paljastamist. Pustõnski sõnul mõeldakse eksootiliste ainete all sedapuhku nn õhukesi kilesid. Selleks võib olla õhuke vedeliku kiht või mingi kirstallilise aine kiht teise materjali pinnal, mille omadusi ei määra klassikaline füüsika, vaid kvantmehaanika seadused.

Eksootiliseks kutsutakse neid seetõttu, et nende käitumist ei saa klassikaliste meetoditega ennustada. Eile premeeritud teadlased lõid aga matemaatilise meetodi, et seda käitumist selgitada.

Pustõnski sõnul avastati juba 20. sajandi alguseks materjalid, mille puhul on nende takistus madalal temperatuuril null. Sellist olukorda nimetatakse füüsikas ülijuhtivuseks ning sajandi keskpaigaks selgitati ülijuhtivust kvantmehaanika alusel. Tolleaegsete teooriate järgi polnud aga ülijuhtivus kahemõõtmelistes materjalides ehk õhukestes kiledes võimalik, sest takistusteks peaksid olema fluktuatsioonid, mis ei kao  õhukestes kiledes ka väga madalatel temperatuuridel ära.

Sõõrik, kaneelirull ja soolakringel

Kosterlitz ja Thouless saidki preemia selle eest, et lükkasid 1970ndatel selle teooria ümber ning näitasid, et vastavad efektid on teatud tingimustel ka õhukestes kihtides võimalikud. «Seda tänu topoloogilistele efektidele ehk osakeste omapärasele paigaldamisele,» täpsustas Pustõnski. Täpsustus on oluline, sest topoloogia – teatud sorti kõrgem matemaatika – ilmestab tänavuse Nobeli auhinna igat tahku.

Et asja sisu ka lihtsurelikele selgitada, võttis Nobeli füüsikakomitee liige professor Thors Hans Hansson eile Stockholmis appi sõõriku, kaneelirulli ning soolakringli. «Meie jaoks on need kõik väga erinevad: üks on krõbedam, teine on soolasem ja neil on erinevad maitsed,» alustas Hansson. «Topoloogi jaoks eristab neid aga vaid üks aspekt ning see on küsimus: mitu auku on kaneelirullis, sõõrikus ja soolakringlis?

Kaneelirullil pole ühtegi, sõõrikul on üks ja soolakringlil kaks auku. Topoloog nimetaks aukude arvu «topoloogiliseks muutumatuks» ning see tähendab, et kujundi omadused säilivad vigastusteta igasugusel deformeerimisel,» selgitas Hansson. Topoloogiline mõtlemine aitabki seda tüüpi ainete ja kujundite omadusi selgitada.

Esmapilgul teoreetiline ja kauge

1980ndatel suutis Thouless selgitada eksperimenti, kus õhukeste elektrit juhtivate kihtide elektrijuhtivust oli mõõdetud täisarvsammudega. Ta tõestas veenvalt, et kasutatud täisarvud olid oma loomult topoloogilised. Samal ajal avastas Haldane, kuidas topoloogilised mudelid selgitavad väikestest magnetitest koosnevate materjalide omadusi.

Praeguseks teame juba mitut topoloogilist faasi, mis ei piirdu enam vaid õhukeste kihtide ja niitidega, vaid need eksisteerivad ka tavalistes kolmemõõtmelistes materjalides. Teadlased loodavad, et topoloogiliste materjalidega saab valmistada uue põlvkonna elektroonikat, ülijuhte ja kvantarvuteid.

Pustõnski ütles, et kuna õhukeste kilede tehnoloogia laseb ehitada omapäraste omadustega materjale, võivad need materjalid esmalt leida kasutust elektroonikas, ent hiljem ka meditsiinis, optikas ja teistes valdkondades.

«Kuigi see avastus võib esmapilgul tunduda teoreetiline ja tavaelust kauge, võivad uued, tänavuste Nobeli laureaatide avastatud ning seletatud efekte kasutavad materjalid leida tulevikus rakendust ka tehnikas, mida meie kasutame,» arvas Pustõnski.

Miks ei läinud Nobel gravitatsioonilainete avastajatele?

Ehkki eilsed reaktsioonid tänavuse füüsikapreemia suhtes olid positiivsed, uskusid paljud veel esmaspäevalgi, et füüsika Nobel läheb gravitatsioonilainete avastajatele. Einsteini teooria ja lainete tõestamist peetakse praegu selle sajandi teadusavastuseks.

Tänavu füüsikapreemiaga pärjatud avastused kuuluvad aga väga spetsiifilisse valdkonda ja enne eilset sellest Nobeli kontekstis eriti ei räägitud.

«Preemia on natukene ootamatu, sest kõik ootasid, et see antakse gravitatsioonilainete eest,» nentis Tallinna Tehnikaülikooli teoreetilise füüsika dotsent Vladislav Pustõnski.

Tema hinnangul võib põhjus peituda gravitatsioonilainete avastamise taga seisnud meeskonna suuruses, kust on keeruline välja valida suurima panuse andnud inimesi.

«Selles valdkonnas tekitaks iga valik vaidlusi, kas valiti ikka õiged inimesed või mitte,» põhjendas Pustõnski. Samale vastuolule juhtis paari nädala eest tähelepanu ka teadusajakiri Nature.

Siiski rõhutas Pustõnski, et tänavune valik ei tähenda sugugi, et gravitatsioonilainete avastajaid ei võidaks lähiaastatel Nobeliga pärjata. Võib-olla läks sel aastal ka lihtsalt kiireks, sest Nobeli preemia nominentide nimetamise tähtaeg oli tänavu jaanuari lõpus, aga gravitatsioonilainete avastamisest teatati veebruaris.

Kes nad on?

  • David Thouless
  • Sündinud 1934. aastal Ühendkuningriigis Bearsdenis
  • Auhinnatud teadusavastused tegi USAs Washingtoni Ülikoolis 
  • Duncan Haldane
  • Sündinud 1951. aastal Ühendkuningriigis Londonis
  • Auhinnatud teadusavastused tegi USAs Princetoni Ülikoolis
  • John Kosterlitz
  • Sündinud 1942. aastal Ühendkuningriigis Aberdeenis
  • Auhinnatud teadusavastused tegi USAs Browni Ülikoolis
Märksõnad
Tagasi üles