Om cookies på våra tjänster

Vi har placerat cookies på din dator och lagrar ditt IP-nummer för att ge dig en bättre upplevelse av våra webbplatser. Om du inte godkänner eller vill ha mer information kan du läsa mer här: Om cookies och personuppgifter

Foto: Anders Wiklund/TT

Så fungerar topologi i fysiken

2016 års Nobelpris i fysik tilldelades David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane och J. Michael Kosterlitz för sina bidrag i att förstå hur en del material kan bete sig. Det kallas för topologiska fasövergångar och topologiska materiefaser.

Vad har kringlor, bagels, och vänstertrafik med årets Nobelpris att göra? Jo, årets Nobelpris i fysik handlar om hur en del egenskaper antingen måste finnas eller inte.

För att en kringla ska vara en kringla måste den ha två eller tre hål medan en bagel har ett hål.
Antingen så är det vänstertrafik eller högertrafik, men inget däremellan.

Man kan säga att de olika objekten och skeendena har olika topologier. Och att de dessutom bara kan existera i heltal. Det finns inget som har ett halvt hål, till exempel. Topologi är från början ett matematiskt koncept som beskriver vilka inte geometriska egenskaper ett material har.

Dessa topologiska egenskaper är väldigt robusta – man måste tillföra en stor mängd energi för att förändra dessa heltalsegenskaper.

Denna tidigare outforskade värld av egenskaper har årets Nobelpristagare utforskat.

1985 års Nobelpristagare lade grunden

Klaus von Klitzing, som fick Nobelpris i fysik 1985,undersökte hur elektroner betedde sig om de lades ut i två dimensioner, i en låg temperaturer och i ett kraftigt magnetfält.

Von Klitzing upptäckte då att elektronernas konduktivitet, alltså hur strömmen påverkas av spänningsnivån, förändrades på ett trappstegsliknande sätt och i heltal. Hur kom det sig?

En av årets Nobelpristagare i fysik, David J. Thouless, kom fram till att det måste bero på så kallade topologiska skillnader hos elektronerna, och började undersöka olika typer av material som till exempel supravätskor eller tunna magnetiska filmer.

– I grund och botten handlar det om elektroner och hur de börjar arbeta mer kollektivt. Man kan inte se på en enda elektron att den är i ett topologiskt tillstånd, men alla elektroner i exempelvis en topologisk supraledare kan tillsammans befinna sig i ett sådant tillstånd, säger Martin Leijnse, lektor i fasta tillståndets fysik vid Lunds universitet.

De topologiska fasövergångarna handlar om hur sådana här topologiska skillnader är beroende av exempelvis temperatur. En vanlig fasövergång brukar man säga sker när en materia går från en form till en annan. Som när vatten går från is, till flytande vatten, till vattenånga.

För att utföra en topologisk fasövergång krävs det däremot ofta extremt låga temperaturer eller kraftiga magnetfält.

Detta visade David J. Thouless tillsammans med Michael Kosterlitz. Den tredje Nobelpristagaren, Duncan Haldane, visade hur de topologiska egenskaperna också kan återfinnas i små kedjor av små magneter.

Kan bli användbart i kvantdatorer

Dessa topologiska materiefaser har stor betydelse för hur materialet fungerar och forskare runt om i världen arbetar just nu med att tillverka sådana här material för exempelvis framtidens kvantdatorer.

Kvantdatorer fungerar idag i experimentell skala. Kvantdatorer i större skala kommer att bli mer komplicerade att skapa. Om någon beräkning blir fel i början, så blir kvantdatorn oduglig. Men om informationen istället lagras med hjälp av elektroner som är försatta i ett topologiskt tillstånd, blir informationslagringen mycket stabilare.

– Eftersom det krävs mycket för att ett topologiskt tillstånd ska förändras så blir datalagringen stabilare om materialet har rätt topologi, Martin Leijnse.

Så arbetar vi på SVT Nyheter

SVT:s nyheter ska stå för saklighet och opartiskhet. Det vi publicerar ska vara sant och relevant. Vid akuta nyhetslägen kan det vara svårt att få alla fakta bekräftade, då ska vi berätta vad vi vet – och inte vet. Läs mer