Nobelova cena za fyziku bola tento rok udelená za topologické fázové prechody a topologické fázy hmoty. Čo to vlastne fázy hmoty sú?
Pod pojmom fáza hmoty si môžeme predstaviť ten najjednoduchší príklad, aký v bežnom živote vidíme, a to vodu. Voda môže byť pevnou látkou, kvapalinou, ale aj plynom, čiže parou. To, v akej fáze sa nachádza, pritom závisí od okolitej teploty a ďalších faktorov.

Stále je to tá istá látka s chemickým vzorcom H2O, ale jej jednotlivé súčasti, molekuly, sú v pevnej fáze pekne usporiadané, v kvapalnej fáze mierne chaotické, ale ešte stále držia akosi pokope a v plynnej fáze sa každá molekula takpovediac stará sama o seba.

Fázy však nie sú až také jednoduché a môžu sa meniť aj nenápadnejšie, než z vody na ľad, či paru. Ako to v takom prípade vyzerá?
Existujú napríklad látky, ktoré sú stále pevné, no ak ich ohrejeme, výrazne sa zmení niektorá z ich vlastností. Tá istá pevná látka sa tak môže vyskytovať v dvoch rôznych fázach. Príkladom sú bežné magnety.

Vezmite si napríklad slúchadlá. Na to, aby mohli vytvoriť zvuk, majú v sebe zabudované silné magnety. Niektorí z vás si na ich obale už možno prečítali, že práve pre kvalitný zvuk sú v nich takzvané neodýmové magnety. Teraz si predstavte, že máte doma poriadnu piecku a magnety zo slúchadiel do nej vložíte a ohrejete na teplotu 350°C.

Výsledok? Naspäť by ste ich už vkladali zbytočne. Pri vystavení takejto teplote neodýmové magnety nebudú magnetické, stratia túto svoju zaujímavú a pre nás užitočnú vlastnosť. Stále je to síce pevná látka, ale už nie magnetická. Pri ohrievaní totiž zmenila svoju fázu a po ochladnutí sa to už nevráti do rovnakého stavu ako na začiatku.

Čo všetko teda môže spôsobiť zmenu fázy? Je to len zmena teploty?
V prírode môže fázový prechod látok vyvolať nielen teplota, ale napríklad aj tlak, alebo magnetické pole. Keby sme sa zamysleli nad samotnou príčinou zmeny fázy, tak za tým stále stojí potreba akejkoľvek látky v prírode mať čo najnižšiu energiu.

Stav s najnižšou možnou energiou sa pritom odborne nazýva základný stav. Tieto stavy sa najlepšie študujú tak, že látku ochladíme na veľmi nízku teplotu – a pod pojmom veľmi nízka teplota si predstavme napríklad -271°C, čo je veľmi blízko takzvanej absolútnej nulovej teplote.

Základný stav látky, ktorý odhalíme, môže byť nezvyčajný, neočakávaný, a preto mu často hovoríme, že je exotický.

Nobelova cena sa však týkala nezvyčajných stavov v dvojrozmernom svete. Čo si pod tým môžeme predstaviť?
Ak budeme postupne zmenšovať jeden rozmer študovanej látky – tak, že budeme postupne odoberať jednotlivé vrstvy atómov až nám ostane len jedna vrstva – môžu sa vlastnosti látky výrazne zmeniť. Takému typu látky hovoríme, že je dvojrozmerná.

V dvojrozmernej látke ale zmena fázy nemusí byť priamo viditeľná. Laureáti tohtoročnej Nobelovej ceny za fyziku však navrhli teoretické modely ako ju odhaliť a odlíšiť dve rôzne fázy dvojrozmernej látky. Išlo pritom najmä o magnetické a elektrické vlastnosti dvojrozmerných látok.

Tu sa v spojitosti s ich prácou často spomína takzvaný kvantový Hallov jav. Ten sa prejavuje tak, že ak vložíme veľmi tenkú vrstvu kovu, čiže vodiča do magnetického poľa, ktoré postupne zvyšujeme, tak sa jeho vodivosť, respektíve elektrický odpor mení „skokovo“. Vysvetliť podstatu tohto javu sa podarilo len vďaka ich teoretickému modelu.

Čo sú teda exotické formy hmoty?
Exotická forma hmoty je taká, akú sme doteraz nepozorovali, alebo ešte nevieme pochopiť jej podstatu. Aj tichooceánske ostrovy boli pre britského kapitána Cooka, ktorý sa tam plavil dlhé mesiace a objavil mnohé z nich, exotické. Teraz tam môžete priletieť za pár hodín, exotika je na dosah a to slovo už nemá taký význam ako pred 150 rokmi.

V kvantovom svete sú magnetické vlastnosti látok popísané vlastnosťou atómov, ktorá sa volá spin. Spin atómu môže byť celočíselný, ako napríklad jedna, alebo poločíselný, jedna polovica a podobne. Jeden z laureátov, Haldane, vo svojej práci v roku 1983 predpovedal zaujímavú vlastnosť pre reťazec magnetických atómov. Predpokladal, že reťazec vytvoríme tak, že vedľa seba postupne poukladáme magnetické atómy len v jednom smere, čím získame jednorozmerný magnetický objekt.

Vlastnosti takého reťazca budú veľmi odlišné, ak bude zložený z magnetických atómov s celočíselným spinom alebo z atómov poločíselným spinom.

Základné skupenstvá hmoty, pevné, kvapalné a plynné, poznáme. O niečo menej bežná plazma nám tiež nie je záhadou. Tie exotickejšie už ale tak ľahko nezbadáme. Ilustračná fotografia: commmons.wiimedia.org/Spirit469 

Vedcov ten predpoklad prekvapil?
V tej dobe to bolo neočakávané, exotické. Haldanova práca bola pre chemikov a fyzikov po celom svete impulzom vytvoriť takéto látky a overiť jeho predpoveď v skutočných magnetických látkach.

Na počudovanie, existujú jednoduché chemické zlúčeniny, ktoré sa navonok javia ako bežná látka, no magnetické atómy sú v nich uložené tak, že vytvárajú práve magnetické reťazce.

V tom čase som ešte ako študent pracoval v laboratóriu fyziky nízkych teplôt na Prírodovedeckej fakulte UPJŠ v Košiciach práve v skupine vedcov, ktorá sa intenzívne venovala štúdiu látok, v ktorých boli predpovedané javy aj skutočne pozorované. Množstvo vedeckých publikácií z tejto oblasti, ktoré sú známe aj vo svete, sme vytvorili aj u nás v Košiciach.

V súčasnosti sa ukazuje, že podobné materiály by práve v dôsledku ich nezvyčajných vlastností pri veľmi nízkych teplotách mohli byť využité pri tvorbe budúcej výpočtovej techniky – kvantových počítačoch.

Dôležitou súčasťou ocenených objavov bolo aj zistenie, že sa v tak tenkých vrstvách môžu vyskytovať javy známe ako supravodivosť a supratekutosť. Čo tieto pojmy presne znamenajú?
Supravodivosť je stav, pri ktorom elektrický prúd cez látku tečie bez akéhokoľvek odporu, čo by v praxi znamenalo, že by sa cestou z elektrárne k nám nestrácala žiadna elektrická energia. To sa totiž skutočne deje, keď sa používajú bežné elektrické vodiče z medi, alebo hliníka.

Supratekutosť je ešte podivnejšia vlastnosť. Supratekutá kvapalina tečie bez akéhokoľvek trenia, teda opäť bez odporu, ale v tomto prípade mechanického. Mohla by vám napríklad vytiecť hore po stenách von z hrnčeka.

Prečo bolo ich odhalenie v dvojrozmerných vrstvách tak revolučné?
V minulosti sa intuitívne predpokladalo, že ak sa zmenší jeden rozmer supravodivej alebo supratekutej látky, v tak tenkej vrstve sa elektróny pri supravodivosti a atómy pri supratekutosti nebudú môcť tak voľne pohybovať. To by znamenalo, že látka tým pádom nebude môcť zmeniť svoj stav do supravodivého, alebo supratekutého stavu.

Neskoršie experimenty ale ukázali, že to nie je pravda. Teória Kosterlitza a Thoulessa však stále nevysvetľuje prečo napríklad existuje prechod do supravodivého stavu vo veľmi tenkých materiáloch. To ešte nie je celkom jasné. Táto teória len popisuje ako sa tento prechod prejavuje navonok, keď ho experimentátor skúma. Nie jeho mikroskopickú príčinu.

V čom sú teda podľa vás zistenia ocenených Thoulessa, Haldana a Kosterlitza tak zlomové, že získali Nobelovu cenu?
Thouless, Haldan a Kosterlitz ukázali, že rôzne stavy látok, ktoré majú na prvý pohľad odlišný fyzikálny pôvod, je možné popísať na základe ich topologickej podobnosti. Veľmi pekné sú príklady, ktoré boli uvedené v odôvodnení udelenia Nobelovej ceny.

Ak máme hrnček, ktorého uško na ňom vytvára otvor a bagel, typické americké pečivo kruhového tvaru s otvorom v strede, v princípe môžeme jeden pretvarovať na druhý bez toho, aby sme stratili jednu ich dôležitú vlastnosť – otvor.

Práve táto ich podobnosť – ich spoločná vlastnosť – nám pomôže ich lepšie udržať v ruke. To vieme intuitívne na prvý pohľad. No „podobnosť“ medzi prechodom do supravodivého stavu a prechodom do magnetického stavu vo veľmi tenkých vrstvách, nebola z počiatku očividná ani vedcom. Vďaka oceneným už je.