ڕۆژی ٤ی مانگی ئۆکتۆبەری ساڵی ٢٠١٦، سکرتێری هەمیشەییی ئەکادیمیای شاهانەی سوید، پڕۆفیسۆر Göran K. Hansson، ناوی براوەکانی خەڵاتی نۆبڵی فیزیای ساڵی ٢٠١٦ی ڕاگەیاند کە ئەم سێ پرۆفیسۆرە بەریتانییەن و هەر سێکیان لە ئێستادا لە زانکۆکانی ویلایەتە یەکگرتووەکانی ئەمریکان:
١.دەیڤید جەی ثەولس، پرۆفیسۆر لە زانکۆی واشنتۆن، [نیوەی خەڵاتەکە]
٢.دانکن هۆڵدەین، پڕۆفیسۆر لە زانکۆی پریسنتۆن، [چارەکێکی خەڵاتەکە]
٣.جەی مایکل کۆستەلیتز، پڕۆفیسۆر لە زانکۆی براون، [چارەکێکی خەڵاتەکە]
دەرکەوتنی دیاردەی نامۆ لە ئاستی دوو ڕەهەندی ماددەدا
هەر سێ پرۆفیسۆری ناوبراو، تەکنیکی ماتماتیکی ئاستبەرزیان بەکارهێناوە بۆ ڕوونکردنەوەی ئەو دیاردە نامۆیانەی لە دۆخە نائاسییەکانی ماددەدا دەردەکەون، وەکو بەرزەگەیەنەرەکان و بەرزە شلگازەکان یان توێژە موگناتیسییە تەنکەکان. کۆستەلیتز و ثەولس لەو دیاردانەیان کۆڵیوەتەوە کە لە چین و ڕووە هەرە تەنکەکانی ماددەدا دەردەکەن، ئەو چینانەی هێند تەنکن کە دەکرێت بە جیهانی دوو ڕەهەندی وەسفیان بکەین لە چاو ئەم جیهانە سێ دوورییەی کە خۆمان تێیدا دەژین. هەروەها هۆڵدەین سەرقاڵی توێژینەوە بووە لەو ماددانەی کە لە شێوەی دەزوولەدان و هێند باریکن کە دەکرێت بە یەک ڕەهەندییان دابنێین.
دۆخە ئاساییەکانی ماددە لە کاتی گۆڕانی پلەی گەرمیدا دەگۆڕێن بۆ یەکتری. بۆ نمونە کاتێک پارچەیەک سەهۆڵ کە نەزمێک هەیە لە ڕێکخستنی کریستاڵەکانیدا گەرم دەکرێت دەچێتە دۆخی شلییەوە کە دۆخێکی زیاتر شێواوی ماددەیە. کاتێک دەڕوانینە ماددە لە شێوەی ڕووە تەختە هەرە تەنکەکانیدا، چەند دۆخێکی تر دەدۆزینەوە کە هێشتا نازانین چۆن لێکیان بدەینەوە.
فیزیای کوانتەمی لە پلە گەرمییە نزمەکاندا بەدیاردەکەوێت
لە ئاستە وردەکەدا هەموو ماددە بە یاساکانی فیزیای کوانتەم کار دەکات. گاز، شل و ڕەق دۆخە ئاساییەکانی ماددەن کە تیایاندا کاریگەرییە کوانتەمییەکان دیار نین، ئەمەش بە هۆی جووڵەی هەڕەمەکی گەردیلەکانەوەیە. بەڵام لە پلە گەرمییە هەرە نزمەکاندا، واتە پلەی گەرمی نزیک لە سفری پەتی (-٢٧٣ی سیلیزی)، ماددە دۆخی سەیری نوێی بۆ پەیدا دەبێت و هەڵسوکەوتێکی چاوەڕواننەکراو دەنوێنێت. لەودۆخەدایە کە ئەو فیزیای کوانتەمەی کە لە غەیری ئەمە تەنها لە جیهانی ئاستی مایکرۆییدا کار دەکات دەردەکەوێت(بڕوانە وێنەی١).
لەو ساردییەدا شتی سەیر ڕوودەدات. بۆ نمونە ئەو بەرگرییەی کە پەیدا دەبوو بە هۆی تەنۆلکە جووڵاوەکانەوە، چیتر نامێنێت. هەر ئەمەشە کە تەزووی کارەبا بە بێ هیچ بەرگرییەک تێدەپەڕێت لە بەرزەگەیەنەرەکاندا، یان کاتێک کە لە بەرزەشلگازێکدا گێژەنگێک بە بێ خاوبوونەوە بەردەوام دەخولێتەوە.
جووت گێژەنگەکان چارەسەری کێشەکە دەکەن
لە سەرەتای ١٩٧٠کاندا، ثەولس و کۆستەلیتز لە بەریتانیا یەکتریان بینی و بڕیاریاندا کار لەسەر کێشەی گۆڕانی دۆخەکان بکەن لە ڕووە تەنکە دوو ڕەهەندییەکاندا. ئەم پێکەوە کارکردنەیان بووە هۆی هاتنەئارای تێگەیشتنێکی تەواو نوێ دەربارەی گۆڕانی دۆخەکان کە بە یەکێک لە گرنگترین دۆزینەوەکانی سەدەی بیستەم دادەنرێت لە تیۆری ماددە چڕەکان لە فیزیادا و پێی دەگوترێت KT transition وەک کورتکراوەیەک کە ئاماژەیە بۆ پیتی یەکەمی ناوی هەردوو زاناکە.
گۆڕانی تۆپۆلۆجییانەی دۆخەکان هاوشێوەی گۆڕانی ئاسایی دۆخەکانی ماددە نییە، وەک ئەوەی لە نێوان سەهۆڵ و ئاودا ڕوودەدات. گێژەنگە بچوکەکان ڕۆڵی سەرەکی لە گۆڕانی تۆپۆلۆجیانەی دۆخەکان لە ماددە دوو ڕەهەندییەکاندا دەیبینن. لە پلە گەرمییە نزمەکاندا ئەو گێژەنگانە جووتی لێک نزیکی پێکەوەبەستراو پێک دەهێنن. کاتێک پلەی گەرمی بەرز دەبێتەوە، گۆڕانێک لە دۆخەکەدا ڕوودەدات: گێژەنکەکان لە پڕ لێک دوور دەکەونەوە و بە تەنیا بە ناو ماددەکەدا هاتوچۆ دەکەن(بڕوانە وێنەی٢).
گرنگی ئەم تیۆرییە لەوەدایە کە دەکرێت بۆ جۆرە جیاوازەکانی ماددە کە لە شێوەی دوو ڕەهەندیدان بەکار بهێنرێت، واتە KT transition گەردوونییە، بە واتایەکی تر دەکرێت بڵێین شیکردنەوەیەکە بە سەر هەموو ماددەکاندا جێبەجی دەکرێت کە لە دۆخی هاوشێوەدان. بۆتە ئامرازێکی بەکەڵک کە نەک لە جیهانی ماددە چڕکراوەکاندا بەڵکوو لە ڕووبەرەکانی تری فیزیاش وەک فیزیای گەردیلەیی و میکانیکی ئاماریشدا جێبەجێ دەکرێت. ئەم تیۆرییە دواتر لە لایەن هەردوو ثەولس و کۆستەلیتزەوە پەرەی پێدراوە و ڕاستی و دروستییەکەی بە شێوەی کرداریش پشتڕاستکراوەتەوە.
بازە کوانتەمییە نەزانراو و نامۆکان
بە هۆی پەرەپێدانە تاقیکارییەکانەوە چەند دۆخێکی نوێی ماددە هاتبوونە ئاراوە کە پێویست بوو ڕوونکردنەوەیان دەربارە بدرێت. لە ١٩٨٠کاندا هەردو ثەولس و هۆڵدەین کارێکی تیۆری نوێ و گرنگیان پێشکەشکرد کە بەرەنگاری تیۆرییەکانی پێشتر دەبۆوە، کە یەکێکیان تیۆری میکانیکی کوانتەمی بوو بۆ دەستنیشانکردنی ئەو ماددانەی کارەبا دەگەیەنن. ئەمە پێشتر کاری لەسەر کرابوو و وا دەزانرا کە بە جوانی لەم ڕووبەرەی فیزیا تێگەیشتووین.
هەر بۆیە شتێکی چاوەڕواننەکراوبوو کاتێک لە ساڵی ١٩٨٣دا ثەوڵس سەلماندی کە ئەو تێگەیشتنەی پێشترمان دەربارەی ئەم بابەتە تێگەیشتنێکی تەواو نییە. لە پلە گەرمییە نزمەکان و بوارە موگناتیسییە بەهێزەکاندا تیۆرییەکی نوێ پێویست بوو، تیۆرییەک کە تیایدا چەمکە تۆپۆلۆجییەکان پێویستیی سەرەکیین. لە هەمان کاتدا بوو کە هۆڵدەین سەرقاڵی توێژینەوە بوو لە زنجیرە گەردیلەییە موگناتیسییەکان و گەیشتبووە دەرەنجامێکی چاوەڕواننەکراوی هاوشێوەی ئەوەی ثەوڵس.
ئەو دیاردە لێڵ و نادیارەی کە دیڤید ثەوڵس بە شێوەی تیۆری و بە بەکارهێنانی تۆپۆلۆجی لێی دوابوو پێی دەگوترێت quantum hall effect. ئەم دیاردەیە لە ساڵی ١٩٨٠ لە لایەن فیزیکزانی ئەڵمانی کڵاون ڤۆن کلیتزینگ کەشف کراوە کە خەڵاتی نۆبڵی ساڵی ١٩٨٥ی پێ بەخشرا. ئەو توێژینەوەی لە چینێکی تەنکی گەیەنەری کارەبای نێوان دوو نیمچەگەیەنەر کرد، کە تیایدا ئەلکترۆنەکان ساردکرابوونەوە بۆ چەند پلەیەکی کەم لە سەروو سفری پەتییەوە و خرابوونە بەر بوارێکی موگناتیسی بەهێز.
لە فیزیادا شتێکی نائاسایی نییە کە دیاردەی سەیر و سەمەرە ڕووبدات لە کاتی نزمکردنەوەی پلەی گەرمیدا. بۆ نمونە زۆر ماددەی ناموگناتیسی لەو کاتانەدا دەبنە موگناتیس. هۆکاری ڕوودانی ئەمەش ئەوەیە کە هەموو ئەو گەردیلانەی کە هەریەکەو وەک موگناتیسێک دەور دەینن ڕوو دەکەنە هەمان ئاڕاستە و دەبنە هۆی دروستبوونی بوارێکی موگناتیسی بەهێزی وا کە دەکرێ بپێورێت.
بەهەرحاڵ تێگەیشتن لە دیاردەی quantum Hall effect کەمێک قورسترە. گەیاندنی کارەبایی ئەو چینە تەنکەی باسمان لێوە کرد تەنها دەکرێت کۆمەڵێک نرخی دیاریکراوی هەبێت، کە زۆر ورد و دیاریکراون و هەڕەمەکی نین، ئەمەش شتێکی ئاسایی نییە لە فیزیادا. پێوانەکردنەکانیش زۆر بە وردی هەمان ئەنجام دەدەن بە دەستەوە، تەنانەت ئەگەر پلەی گەرمی، بواری موگناتیسی و بڕی خڵتەی نیمچەگەیەنەرەکەش بگۆڕێت. کاتێک بواری موگناتیسی بە ئەندازەی پێویست بگۆڕێت، بڕی گەیاندنی کارەبایی ئەو چینەش دەگۆڕێت، بەڵام گرنگییەکە لەوەدایە کە ئەو گۆڕانە لە گەیاندنی کارەباییدا بە شێوەی پلە پلە و بازی کوانتەمی دەبێت (لێرەدا مەبەست ئەوەیە ئەگەر بوارە موگناتیسییەکە بگۆڕدرێت ئەوا گەیاندنی کارەباییەکە بە شێوەیەکی بەردەوام یاخود لێکنەپچڕاو و کلاسیکی ناگۆرێت، واتە نرخی گەیاندنەکە وردە وردە ناگۆڕێت بەڵکوو بە چەند جارەی بڕێکی دیاریکراوی کوانتەمی دەگۆڕێت)، بۆ نمونە ئەگەر بەهێزی بوارە موگناتیسییەکە بەرە بەرە کەم بکرێتەوە، ئەوا لە یەکەم هەنگاودا گەیاندنە کارەباییەکە دوو هێندە زیاد دەکات، دواتریش سێ هێندە و چوار هێندە و ئیتر بەم شێوەیە. ئەم هەنگاوە تەواوانە نەدەکرا بە فیزیای ئەو سەردەمە لێکدانەوەیان بۆ بکرێت، بەڵام دەیڤید ثەوڵس چارەسەری ئەمەی بە بەکارهێنانی تۆپۆلجی دۆزییەوە.
تۆپۆلۆجی
تۆپۆلۆجی وەسفی ئەو خاسیەتانە دەکات کە بە نەگۆڕی دەمێننەوە کاتێک تەنێک ڕادەکێشرێت، بادەدرێت یان شێوەکەی دەگۆڕدرێت، جگە لەو کاتانەی کە دەدڕێنرێت(لێکهەڵدەوەشێنرێت). ئەگەر تۆپۆلۆجییانە لێی بڕوانین ئەوا گۆیەک و قاپێک بە هاوپۆلی یەکتری ئەژمار دەکرێن چونکە بە ئاسانی دەتوانین پارچە قوڕێکی گۆیی بگۆڕێن بە قاپێک بێ ئەوەی بیدڕێنین یان لێکی هەڵبوەشێنین. هەرچۆنێک بێت کوپێکی قاوە و پارچە نانێکی خڕیش کە کونێک لە ناوەڕاستەکەیدا بێت هەردووکیان پێکەوە بە هاوپۆل ئەژمار دەکرێن چونکە دەکرێت لە یەکێکیانەوە ئەوی تر دروست بکەین بە بێ دڕاندن و لێک هەڵوەشاندن، چونکە هەر دووکیان تەنها یەک کونیان هەیە و لە کاتی شێوە گۆڕینەکەدا پێویست بە لێکهەڵوەشانن ناکات. کەواتە تەنە تۆپۆلۆجییەکان دەکرێت کونێک یان دووان یان سیان و زیاتریان هەبێت، بەڵام گرنگە ژمارەی ئەو کونانە ژمارەی تەواو بێت. جا دەرکەوت کە ئەمە دەکرێت بەکەڵک بێت بۆ بۆ لێکدانەوەی گەیاندنی کارەبایی لە quantum Hall effect دا، چونکە ئەویش وەک پێشتر باسکرا تەنها بە هەنگاوی چەند جارەی ژمارەیەکی تەواو دەگۆڕێت(بڕوانە وێنەی٣).
لە quantum Hall effect دا ئەلکترۆنەکان بە ڕیژەیەکی زۆر بە سەربەستی دەجووڵێن لە چینی نێوان دوو نیمچەگەیەنەرەکەدا و شتێک پێکدێنن کە پێی دەگوترێت شلگازێکی کوانتەمیی تۆپۆلۆجییانە (topological quantum fluid). وەک چۆن کاتێک کۆمەڵێک تەنۆلکە پێکەوەن دەبنە هۆی دەرکەوتنی کۆمەڵێک سیفاتی نوێ، بە هەمان شێوەش ئەلکترۆنەکان لەو شلگازە کوانتەمییە تۆپۆلۆجییانەیەدا کۆمەڵێک خاسیەتی زۆر سەرسوڕهێنەر نیشان دەدەن. وەک چۆن ناکرێت بە ڕوانین لە بەشێکی کوپێکی قاوە بزانرێت ئاخۆ کونێکی تێدایە یان نا، بە هەمان شێوەش ئەستەمە بە چاودێریکردنی تەنها چەند دانەیەک لە ئەلکترۆنەکان بۆمان دەربکەوێت ئاخۆ شلگازێکی کوانتەمیی تۆپۆلۆجییانەیان پێکهێناوە یان نا. هەرچۆنێک بێت ‘گەیاندنی کارەبایی’ وەسفی جووڵەی بە کۆمەڵی ئەلکترۆنەکانە، جا بە هۆی تۆپۆلۆجییەوە ئەم گەیاندنە بڕەکەی بە هەنگاو و پلە پلە دەگۆڕێت واتە کوانتایزە. یەکێکی تر لە خاسیەتەکانی شلگازێکی کوانتەمیی تۆپۆلۆجییانە ئەوەیە کە سنوورەکانی(لێوارەکانی) سیفاتی نائاساییان هەیە. ئەمانەش بە شێوەی تیۆری پێشبینی کرابوون و دواتریش بە تاقیکاری پشتڕاستکراونەتەوە.
ڕووداوێکی گرنگی تر لە ساڵی ١٩٨٨دا ڕوویدا کاتێک هۆڵدەین ئەوەی کەشف کرد کە شلگازە کوانتەمییە تۆپۆلۆجییانەکان کە باسمان کرد لە quantum Hall effect دا هەن، دەکرێت تەنانەت بە بێ بوونی بواری موگناتیسیش دروست ببن لە چینی تەنکی نێوان نیمچەگەیەنەرەکاندا. هۆڵدەین وتبووی کە هەر بە خەیاڵیشیدا نەهاتووە ئەو مۆدێلە تیۆرییەی ئەو دایڕشتووە بە شێوەی کرداری کاری لەسەر بکرێت و لێی تێبگەین، بەڵام بەم دواییە و لە ساڵی ٢٠١٤دا ئەم مۆدێلە لە تاقیکردنەوەیەکدا پشتڕاستکرایەوە، ئەویش بە بەکارهێنانی ئەو گەردیلانەی ساردکرابوونەوە تا پلەی گەرمی نزیک سفری پەتی.
ماددەی نوێی تۆپۆلۆجییانە
هۆڵدەین لە کارێکی پێشتریدا پێشبینییەکی کردبوو کە تەنانەت شارەزایانی بوارەکەش تووشی سەرسوڕمان بوون. لە توێژینەوە تیۆرییەکان لەو زنجیرە گەردیلەییانەی کە لە هەندێک ماددەدا ڕوودەدەن، هۆڵدەین ئەوەی کەشف کردبوو کە ئەو زنجیرانە بە شێوەی بنچینەیی سیفاتی جیاوازیان هەیە کە بەندن لە سەر تایبەتمەندی زنجیرە گەردیلەییەکان. لە فیزیای کوانتەمیدا دوو جۆر موگناتیسی گەردیلەیی هەن، تاک و جووت. هۆڵدەین ئەوەی خستبووە ڕوو کە زنجیرەیەک تۆپۆلۆجییانەیە ئەگەر لە موگناتیسە جووتەکان پێکهاتبێت، بەڵام ئەگەر زنجیرەکە لە موگانتیسە تاکەکان پێکهاتبێت تۆپۆلۆجییانە نییە. جا لێرەش هاوشێوەی ئەوەی لە شلگازە کوانتەمییە تۆپۆلۆجییانەکەدا باسکرا، ئەستەمە بتوانین تەنها بە پشکنینی بەشێکی بچوکی زنجیرەیەکی گەردیلەیی ئەو دیاریبکەین کە تۆپۆلۆجییانەیە یان نا. هەروەها هاوشێوەی شلگازە کوانتەمییەکان، سیفاتە تۆپۆلۆجییەکان تەنها لە لێوارەکاندا دەردەکەون. لێرەش ئەو لێوارانە بریتین لە ئەمسەر و ئەوسەری زنجیرەکە، چونکە ئەو سیفەتە کوانتەمییەی کە ناسراوە بە spin، لە کۆتاییەکانی زنجیرەیەکی تۆپۆلۆجییانەدا دەبێتە نیوە.
لە سەرەتاوە کەس باوەڕی بە شێوەی بیرکردنەوە و ئەنجامگیرییەکەی هۆلدەین نەکرد، توێژەران بەوە قایل ببوون کە ئەوان بە تەواوەتی لەو مەسەلانە تێگەیشتوون. بەڵام دەرکەوت کە ئەوەی هۆڵدەین کەشفی کردووە بریتییە لە یەکەم نمونەی جۆرێکی نوێی ماددەی تۆپۆلۆجییانە، کە ئێستا بوارێکی بوژاوە و چالاکی توێژینەوەیە لە فیزیای ماددە چڕکراوەکاندا.
شلگازی کوانتەمییانە و زنجیرە گەردیلەییە تۆپۆلۆجییانەکان لەم گروپە نوێیەی دۆخە تۆپۆلۆجییانەکاندان. دواتریش توێژەران چەند دۆخێکی تری تۆپۆلۆجییانەی چاوەڕواننەکراوی ماددەیان کەشف کرد، ئەویش نەک لە زنجیرە و لێواری چینە تەنکەکاندا، بەڵکو لە ماددەی ئاسایی سێ ڕەهەندیدا.
نەگەیەنەرە تۆپۆلۆجییانەکان، بەرزەگەیەنەرە تۆپۆلۆجییانەکان و کانزا تۆپۆلۆجییانەکان ئێستا بابەتی بەرباسن و نمونەی ئەو ڕووبەرانەن کە لەم دە ساڵەی ڕابردوودا بوونەتە گرنگترین بابەتەکانی توێژینەوە لە بواری فیزیای ماددە چڕکراوەکاندا، ئەمەش بەو هیوایەی کە ئەم ماددانە بەکەڵک بن لە نەوەی نوێ ئامێرە کارەباییەکان و بەرزە گەیەنەرەکاندا، یاخود لە کۆمپیوتەرە کوانتەمییەکانی داهاتوودا.
وەرگێران و ئامادەکردن (بە کەمێک دەستکاری و زیاد و کەم کردنەوە): ئارمان
سەرچاوە:
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2016/popular-physicsprize2016.pdf
بۆ ئەوانەی دەیانەوێت وردەکاری زانستیی دۆزینەوەکان بخوێننەوە:
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2016/advanced-physicsprize2016.pdf
