Verden bliver meget mærkelig når tingene er små og temperaturen er meget lav.

Det ved årets tre britiske modtagere af Nobelprisen i fysik, David Thouless fra University of Washington, Duncan Haldane fra Princeton University og Michael Kosterlitz fra Brown University, alt om.

De har på forskellig vis brugt det matematiske princip topologi til at undersøge materialers underlige kvantetilstande. Fx i superledere og såkaldte superfluids.

Se hele Nobelkomiteens præsentation i videoen herunder:

https://www.youtube.com/watch?v=9qpoBG5hy-A

Tingenes form og funktion

Topologi handler normalt om at beskrive hvordan ting ser ud og er struktureret udfra nogle bestemte karakteristika. Ved Nobel-ceremonien blev en bold fx sammenlignet med en donut: de to former er topologisk forskellige fordi den ene har et hul og den anden ikke har - mens en kringle så er noget helt tredje, da den har to huller.

En kop er derimod topologisk det samme som donuten, fordi den også har et hul i hanken.

Denne simple forklaring på hvad topologi er, kan fysiker Nikolaj Zinner fra Aarhus Universitet godt tilslutte sig. Selvom det er meget mere kompliceret end som så.

- Der er forskel på en donut og en bold, fordi donutten har et hul. Det er det matematiske indhold af ordet topologi. For en fysiker er det måske noget anderledes i forhold til hvordan det så faktisk kommer til udtryk i fysiske systemer, siger han.

Samtidig bliver tingene vældig meget mere mærkelige, når man studerer topologi i kvantemekaniske systemer, som nok er det tætteste vi kommer på en fællesbetegnelse for forskernes arbejde.

Gør pladsen trang og verden bliver sær

Forskerne fandt - i 70'erne og 80'erne - på hver sin måde ud af, at de ved at gøre pladsen trang i systemer kunne tvinge partikler til at opføre sig underligt. Ved at flade dem ud i to eller kun én dimension, skete der pludselig noget virkelig sært.

- Når pladsen bliver trang, sker der underlige ting. Uanset om man har meget store systemer eller meget små systemer, er der meget stor forskel på hvad fysikkens love tillader. Og det gælder egentlig både i den klassiske grænse og i den kvantemekaniske grænse i forhold til hvor meget bevægelsesfrihed de har de her partikler. Det laver simpelthen om på fundamentale egenskaber. Og det er også en stor del af de her opdagelser, som de her folk har gjort, forklarer Nikolaj Zinner.

I videoen her forsøger New Scientist at forklare kort, hvorfor de tre fysikere har modtaget årets Nobelpris i fysik:

https://www.youtube.com/watch?v=yMvKRBt1-bw

Forklarede mirakelmaterialet grafen

Mange af de ting de tre forskere arbejdede med i 70'erne og 80'erne omkring topologi har vist sig at gælde for mange kendte materialer, som fx superledere og såkaldte supervæsker - og for mirakelmaterialer som fx grafen.

Thouless og Kosterlitz beviste blandt andet, at superledere kunne fungere som tynde bånd, noget man i 1980'erne ikke troede var muligt. Forklaringen lå gemt i opfattelsen af tynde ledende lag, der kunne opstå i materialer som specifikke kvantetopologiske skridt fra en tilstand som "bold" til "donut".

Duncan Haldane brugte de samme metoder til at forklare forskellige materialers magnetiske egenskaber.

Fremtidige supermaterialer

Indenfor de seneste 10-15 år har forskerne fundet nye klasser af materialer, der kaldes topologiske materialer. I fremtiden kan de topologiske principper måske bruges til at give os endnu bedre ledende materialer, forklarer Nikolaj Zinner. For de såkaldt topologiske materialer kan fx i en elektrisk leder ignorere urenheder, der ikke kan undgås ved produktionen.

- Elektronen kan faktisk ikke rigtigt gøre andet end bare bevæge sig ligeud. Så selvom du putter de her urenheder ned, vil elektronen bare hoppe over dem. Det vil sige - den vil ikke rigtigt kunne se dem, siger han.

Derudover kan de topologiske materialer føre til bedre kvantecomputere, fordi topologien gør det muligt for den såkaldte kvanteinformatik at bruge topologiske tilstande til at gøre kvantecomputerne mere robuste.