Giải Nobel Vật lý cho các nghiên cứu về chuyển pha topo

Ba nhà vật lý người Anh – Mỹ, David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane và J. Michael Kosterlitz vừa được trao giải thưởng Nobel Vật lý năm 2016 cho các khám phá lý thuyết của họ về các trạng thái pha topo và chuyển pha topo trong vật lý chất rắn (“for theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phases of matter” – như tóm lược của Ủy ban Nobel). David Thouless sẽ nhận một nửa giải, trong khi nửa còn lại được chia đều cho Haldane và Kosterlitz. Giải thưởng này được trao cho những nghiên cứu lý thuyết của ba nhà vật lý học, được bắt đầu từ những năm 70-80 khi họ còn làm việc ở Anh trước khi chuyển sang làm việc ở Mỹ.

David Thouless (1934) sinh ra ở thị trấn Bearsden (Greater Glasgow, Scotland), tốt nghiệp Đại học Cambridge (Anh), làm postdoc ở Đại học California, Berkeley (Mỹ) và nhận bằng tiến sĩ ở Đại học Cornell (Mỹ) trước khi trở thành giáo sư toán lý ở Đại học Birmingham (Anh) vào năm 1965. Ông bắt đầu nghiên cứu về lý thuyết chuyển pha siêu dẫn dựa trên topo lượng tử từ năm 1965. Duncan Haldane (1951) sinh ra ở thủ đô London (Anh), tốt nghiệp Đại học Cambridge (cử nhân và tiến sĩ) trước khi sang Mỹ làm nghiên cứu ở Bell Labs và trở thành giáo sư vật lý lý thuyết ở Đại học Princeton (Mỹ). Haldane theo đuổi các nghiên cứu lý thuyết về siêu lỏng và hiệu ứng Hall lượng tử phân số (Fractional quantum Hall effect). John Michael Kosterlitz (1942) sinh ra ở thành phố Aberdeen (Scotland), học đại học ở Đại học Cambridge và tốt nghiệp tiến sĩ ở Đại học Oxford (Anh). Kosterlitz từng làm postdoc với Thouless ở Birmingham trước khi được bổ nhiệm làm giảng viên, và sau đó là phó giáo sư (Reader) ở Birmingham, và hiện nay đang là giáo sư ở Đại học Brown (Mỹ). Ông đã cùng Thouless hợp tác phát triển lý thuyết chuyển pha topo trong siêu dẫn, các hiện tượng thủy tinh spin,..

Một ví dụ về chuyển pha topo của các xoáy vortex trong lớp mỏng (hình từ Physicsworld) trong các nghiên cứu của Thouless và Kosterlitz
Một ví dụ về chuyển pha topo của các xoáy vortex trong lớp mỏng (hình từ Physicsworld) trong các nghiên cứu của Thouless và Kosterlitz

Kosterlitz và Thouless được đặt tên trong hiện tượng chuyển pha topo lượng tử (The Kosterlitz–Thouless transition) – một chuyển pha trong không gian 2 chiều ở nhiệt độ rất thấp mà ở đó một cặp liên kết xoáy thuận (vortex) và xoáy nghịch (antivortex) của các spin điện tử sẽ bị phá vỡ thành các cặp vortex và antivortex không kết cặp khi chuyển pha nhiệt độ tới hạn. Một trong những công trình tiêu biểu của lý thuyết này là bài báo của hai ông đăng trên tạp chí Journal of Physics C: Solid State Physics (http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0022-3719/6/7/010/meta), đến nay được gần 6000 lần trích dẫn. Lý thuyết của Thouless và Kosterlitz dựa trên sự chuyển pha ở các lớp mỏng hai chiều mà ở đó các sai hỏng topo đóng vai trò chính. Lý thuyết này rất quan trọng cho các nghiên cứu về siêu dẫn nhiệt độ cao. Thouless còn phát triển lý thuyết chuyển pha topo hai chiều trong các màng mỏng dẫn điện để giải thích hiệu ứng Hall lượng tử phân số như các chất lỏng topo lượng tử.

Khoảng thời gian đó, Haldane nghiên cứu về tính chất chuỗi của các nguyên tử từ tính trong sự đóng có mặt của đối xứng không gian. Ông đã chỉ ra rằng các chuỗi từ tính có các tính chất cơ bản khác nhau phụ thuộc vào spin của các nguyên tử. Ông đã chỉ ra rằng các chuỗi chẵn (có spin nguyen) là định xứ topo (và đối xứng điểm không bị phá vỡ) trong khi các cuỗi lẻ (spin bán nguyên) không phải là định xứ topo (và đối xứng điểm bị phá vỡ). Nghiên cứu của Haldane cực kỳ quan trọng cho các hiện tượng về spin điện tử trong các chuyển pha topo ở các lớp mỏng 2D hay cả khối 3D như ở các chất cách điện, siêu dẫn hay kim loại.

Nếu như các nghiên cứu của Haldane hầu hết làm ở Mỹ (ông chỉ làm việc ở Anh đến hết bậc nghiên cứu sinh ở Cambridge), thì Kosterlitz và Thouless đã thành danh ở Anh (họ là các giáo sư ở Birmingham với các nghiên cứu về chuyển pha Kosterlitz–Thouless) trước khi sang “làm giàu” ở mảnh đất Mỹ màu mỡ. Nước Mỹ giàu có vẫn luôn là nơi hút các nhân tài của Anh sang sống và làm việc. Trường hợp của Kosterlitz và Thouless cũng tương tự như một người Anh khác nhận giải Nobel Hóa học sau đó một ngày, Sir James Fraser Stoddart (1942), cũng đang là giáo sư ở Mỹ (Đại học Northwestern). Stoddart cũng là nhà hóa học thành danh ở Anh (ông học đại học và tiến sĩ ở Đại học Edinburgh, Scotland; làm nghiên cứu sau tiến sĩ và giảng viên ở Đại học Sheffield, rồi làm giáo sư, giữ ghế giáo sư hóa hữu cơ ở Birmingham trước khi sang Mỹ tiếp tục làm giáo sư).

Ngoài ra, một điều khá thú vị là rất nhiều bài báo quan trọng trong các nghiên cứu của ba nhà vật lý học người Anh đều được đăng ở tạp chí Journal of Physics C, một tạp chí có chỉ số ảnh hưởng (impact factor) không có gì làm cao lắm (2.2). Điều này cho thấy đánh giá một công trình nghiên cứu không thể chỉ nhìn vào chỉ số IF của tạp chí.

Dưới đây là một số bài báo quan trọng trong nghiên cứu của ba nhà vật lý có thể download miễn phí

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s