Kraljevska Švedska Akademija Znanosti dodijelila je zajedničku
Nobelovu nagradu za fiziku za 1998. godinu


profesoru Robertu B. Laughlinu sa Sveučilišta Stanford u Kaliforniji, SAD,
profesoru Horstu L. Störmeru sa Sveučilišta Columbia u New Yorku i Bell Laboratories, New Jersey, SAD, te
profesoru Danielu C. Tsuiju sa Sveučilišta Princeton u Princetonu, New Jersey, SAD.


Ova su tri istraživača dobila Nobelovu nagradu za otkriće da elektroni, djelujući zajednički u jakim magnetskim poljima, mogu tvoriti nove vrste ``čestica'' s nabojima jednakim dijelu naboja jednog elektrona.


Citat:
``za njihovo otkriće novog oblika kvantnog fluida s frakcijski nabijenim pobuđenjima.''


Prerušeni elektroni


Horst L. Störmer i Daniel C. Tsui došli su do otkrića 1982. godine pri pokusu u kojem su se koristila izuzetno jaka magnetska polja i niske temperature. Unutar godine dana nakon tog otkrića Robert B. Laughlin uspio je objasniti njihov rezultat. Teorijskom raščlambom je pokazao da se elektroni u jakim magnetskim poljima mogu kondenzirati, da bi stvorili vrstu kvantnog fluida, srodnog kvantnim fluidima koji se pojavljuju kod supravodljivosti i u tekućem heliju. Ono što te fluide čini naročito važnima za istraživače jest to, što događanja u kapljici kvantnog fluida mogu omogućiti dublje uvide u općenitu unutarnju strukturu i dinamiku tvari. Doprinosi ovih triju dobitnika tako su doveli do još jednog prodora u naše razumijevanje kvantne fizike i do razvoja novih teorijskih koncepata, značajnih za mnoge grane moderne fizike.



Kvantni učinci postaju vidljivi


Kao mlad student, Edwin H. Hall je 1879. otkrio neočekivanu pojavu. Našao je da, ako se tanka zlatna pločica stavi u magnetsko polje okomito na njezinu površinu, električna struja koja teče duž pločice može prouzročiti pad potencijala okomit i na struju i na magnetsko polje (vidi sliku 1). Pojava se naziva Hallovim učinkom, a događa se zbog toga što na električki nabijene čestice (u ovom slučaju elektrone), koje se kreću u magnetskom polju, djeluje sila koja ih otklanja u stranu. Hallov učinak može se koristiti za određivanje gustoće nosilaca naboja (negativnih elektrona ili pozitivnih šupljina) u vodičima i poluvodičima, pa je postao standardno ``oruđe'' u laboratorijima za fiziku po čitavom svijetu.

 

Slika 1 Napon V tjera struju struju I u pozitivnom x smjeru. Normalni omski otpor je V/I. Magnetsko polje u pozitivnom z smjeru otklanja pozitivne nosioce naboja u negativnom y smjeru. To stvara Hallov potencijal (VH) i Hallov otpor (VH/I) u y smjeru. (Kosmos 1986.)


Hall je svoje pokuse izvodio pri sobnoj temperaturi i s umjereno jakim magnetskim poljima slabijim od jedan tesla (T). Krajem 1970-ih godina, istraživači su koristili ekstremno niske temperature (svega par stupnjeva iznad apsolutne nule, tj. oko -272°C) i vrlo jaka magnetska polja (do kojih 30 T). Proučavali su Hallov učinak u poluvodičkom sklopu koji se koristi u elektroničkoj industriji za proizvodnju niskošumnih tranzistora. Taj materijal sadrži elektrone koji, iako su zarobljeni u blizini unutarnje površine što razdvaja dva različita dijela materijala, imaju visoku pokretljivost duž te površine.


U takvom sloju, na niskim temperaturama, elektroni se mogu natjerati na gibanje poput onoga po ravnoj plohi, tj. u samo dvije dimenzije. To geometrijsko ograničenje dovodi do mnogih neočekivanih učinaka. Jedan od njih je promjena karaktera Hallovog učinka. To se najlakše vidi ako se mjeri kako se Hallov otpor mijenja u ovisnosti o jakosti primijenjenog magnetskog polja.


1980. godine je njemački fizičar Klaus von Klitzing otkrio, u sličnom pokusu, da se Hallov otpor ne mijenja linearno, već ``skokovito'', u ovisnosti o jakosti primijenjenog magnetskog polja (vidi sliku 2). Do skokova dolazi pri vrijednostima otpora koje ne ovise o svojstvima materijala, već su određene kombinacijom temeljnih fizikalnih konstanti podijeljenom nekim cijelim brojem. Kažemo da je otpor kvantiziran. Pri kvantiziranim vrijednostima Hallovog otpora, normalni omski otpor iščezava i materijal postaje u nekom smislu supravodljiv.

 

Slika 2 Hallov otpor mijenja se skokovito s promjenama magnetskog polja B. Visina stepenica dana je fizikalnom konstantom h/e2(s vrijednošću oko 25 kilo-ohma), podijeljenom cijelim brojem i. Slika pokazuje stepenice za i = 2, 3, 4, 5, 6, 8 i 10. Taj je učinak postavio novi međunarodni standard za otpor. Od 1990. to je predstavljeno jedinicom 1 klitzing, definiranom kao Hallov otpor kod četvrte stepenice (h/4e2). Donja krivulja, puna šiljaka, predstavlja omski otpor, koji iščezava kod svake stepenice. (Kosmos 1986.)


Za svoje otkriće onog što se naziva cjelobrojnim kvantnim Hallovim učinkom, von Klitzing je 1985. godine dobio Nobelovu nagradu za fiziku. Učinak se može razumjeti, prihvatimo li što zakoni kvantne fizike kažu o ponašanju pojedinačnih elektrona u snažnim magnetskim poljima. Jednostavnim riječima, elektroni se kreću samo po određenim kružnim stazama, čija je osnovna veličina određena magnetskim poljem. Za pojedine se ``stepenice'' ispostavlja da pokazuju koliko je najmanjih staza potpuno popunjeno elektronima.


U svojim profinjenim eksperimentalnim proučavanjima kvantnog Hallovog učinka, pri čemu su koristili, između ostalog, još niže temperature i još snažnija magnetska polja, Störmer, Tsui i njihovi suradnici našli su, na svoje veliko iznenađenje, novu stepenicu u Hallovom otporu, koja je bila tri puta veća od najviše Klitzingove. Potom su nalazili još i još novih stepenica, i iznad i između cjelobrojnih vrijednosti. Visine svih novih stepenica mogu se izraziti preko iste konstante kao i prije, ali sada podijeljene raznim razlomcima. Iz tog je razloga novo otkriće nazvano frakcijskim kvantnim Hallovim učinkom. Postavilo je veliku zagonetku pred istraživače, koji nisu mogli objasniti odakle nove stepenice.



Nova vrsta kvantnog fluida


Godinu dana nakon otkrića frakcijskog kvantnog Hallovog učinka, Laughlin je ponudio teorijsko objašnjenje. Prema njegovoj teoriji, niska temperatura i jako magnetsko polje prisiljavaju elektronski plin da se kondenzira i stvori novu vrstu kvantnog fluida. Budući da se elektroni kondenziraju vrlo nerado (jer su vrsta čestica što se nazivaju fermionima), oni se najprije, u nekom smislu, kombiniraju s ``kvantima toka'' magnetskog polja. Naročito kod prvih stepenica, što su ih otkrili Störmer i Tsui, svaki elektron zarobi po tri kvanta toka, stvarajući tako vrstu složene čestice koja se ne protivi kondenzaciji (postaju ono što se naziva bozonima).


Kvantni su fluidi ranije nađeni na vrlo niskim temperaturama u tekućem heliju (1962. Nobelova nagrada Landauu; 1978 Kapici; 1996. Leeju, Osheroffu i Richardsonu) i u supravodičima (1913. Nobelova nagrada Kamerlingh Onnesu; 1972. Bardeenu, Cooperu i Schriefferu; 1987. Bednorzu i Mülleru). Kvantni fluidi imaju neka zajednička svojstva, npr. suprafluidnost, ali pokazuju i bitne razlike u ponašanju. Neki se, poput Laughlinovog fluida, sastoje od složenih čestica.


Osim suprafluidnosti, koja objašnjava iščezavanje omskog otpora kod stepenica Hallovog otpora, novi kvantni fluid što ga je predložio Laughlin ima još mnoga neobična svojstva. Jedno od najosobitijih jest to, što dodavanjem jednog elektrona fluid postaje pobuđen i u njemu se stvara određeni broj frakcijski nabijenih ``kvazičestica''. Te kvazičestice nisu čestice u uobičajenom smislu, već rezultat zajedničkog plesa elektrona u kvantnom fluidu. Laughlin je prvi pokazao da kvazičestice imaju upravo takav frakcijski naboj, da to objašnjava Störmerove i Tsuijeve rezultate. Kasnija su mjerenja pokazala sve više i više frakcijski nabijenih stepenica kod Hallovog učinka (vidi sliku 3), a Laughlinov se kvantni fluid pokazao kadrim objasniti sve eksperimentalno nađene stepenice.

Slika 3 Isprekidana dijagonalna crta predstavlja klasični Hallov otpor, a puna dijagonalna stepeničasta krivulja eksperimentalne rezultate. Vrijednosti magnetskog polja kod kojih nastaju stepenice označene su strelicama. Uočimo naročito stepenicu koju su prvi otkrili Störmer i Tsui (1/3), kod najveće vrijednosti magnetskog polja, te stepenice koje je ranije otkrio von Klitzing (cijeli brojevi), za slabija magnetska polja. (Science 1990.)

Novi se kvantni fluid snažno odupire stlačivanju; kaže se da je nestlačiv. Razlog tome je što na stlačivanje odgovara stvaranjem dodatnih kvazičestica, a to košta energije.

Izravni dokaz kvazičestica


Za otkriće i objašnjenje frakcijskog kvantnog Hallovog učinka 1982. - 83. može se reći da predstavlja neizravan dokaz novog kvantnog fluida i njegovih frakcijski nabijenih kvazičestica. Nekolicini je istraživačkih skupina nedavno uspjelo izravno promatrati te nove čestice (vidi popis literature). To se, na primjer, dogodilo kod pokusa gdje su se vrlo male promjene struje mogle pripisati pojedinačnim kvazičesticama što su tekle električnim krugom. Ta mjerenja, usporediva s razlučivanjem zvukova pojedinačnih zrna tuče za vrijeme oluje, te utvrđivanjem da im je veličina samo dio uobičajene veličine ledenih zrna, omogućio je zapanjujući razvoj mikroelektronike u razdoblju nakon što su tri ovogodišnja dobitnika dala svoje pionirske doprinose. Ta se mjerenja mogu smatrati konačnom ovjerom njihovih otkrića.



*****



Dodatno štivo


B. Daviss: Splitting the electron (Cijepanje elektrona), New Scientist, 31 siječnja 1998, str. 36;

G. P. Collins: Fractionally charged quasiparticles signal their presence with noise (Frakcijski nabijene kvazičestice signaliziraju svoje prisustvo šumom), Physics Today, studeni 1997, str. 17;

P. W. Anderson: When the electron falls apart (Kad se elektron raspada), Physics Today, listopad 1997, str. 42;

S. Kivelson, D. H. Lee i S. C. Zhang: Electrons in flatland (Elektroni u ravnici), Scientific American, ožujak 1996, str. 64;

H. Störmer i D. Tsui: Composite Fermions: New particles in the fractional quantum Hall effect (Složeni fermioni: nove čestice u frakcijskom kvantnom Hallovom učinku), Physics News in 1994, American Institute of Physics 1995, str. 33;

J. P. Eisenstein i H. L. Störmer: The fractional quantum Hall effect (Frakcijski kvantni Hallov učinak), Science, 22 lipnja 1990, str. 1510. Slika s naslovnice tog broja časopisa ``Science'' može se naći i na adresi http://www.bell-labs.com/new/gallery/fqhe.html



*****



Robert B. Laughlin

Rođen 1950 u Visaliji, Kalifornija, SAD. Američki je građanin. Doktorirao fiziku 1979 na Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, SAD. Profesor fizike na Sveučilištu u Stanfordu od 1989. Laughlin je, uz druge nagrade, dobio i nagradu Olivera E. Buckleya za 1986. godinu, koju dodjeljuje Američko fizikalno društvo, te Medalju Franklinovog instituta 1998, za svoj rad na frakcijskom kvantnom Hallovom učinku.


Professor Robert B. Laughlin
Department of Physics, Varian Bldg
Stanford University
Stanford, CA 94305-4060
USA



Horst L. Störmer
Rođen 1949. u Frankfurtu na Majni. Doktorirao fiziku 1977. na Sveučilištu u Stuttgartu u Njemačkoj. Voditelj u Laboratoriju za fizikalna istraživanja, u Bellovim Laboratorijima, 1992.- 98. Profesor na Sveučilištu Columbia u New Yorku od 1998. Uz druge nagrade, Störmer je dobio i nagradu Olivera E. Buckleya za 1984. godinu, koju dodjeljuje Američko fizikalno društvo, te Medalju Franklinovog instituta 1998, za svoj rad na frakcijskom kvantnom Hallovom učinku.


Professor Horst L. Störmer
Physics Department
Columbia University
New York, NY 10027
USA



Daniel C. Tsui
Rođen 1939. u Henanu u Kini. Američki je građanin. Doktorirao fiziku 1967 na Sveučilištu u Chicagu, SAD. Profesor na Sveučilištu u Princetonu od 1982. Uz druge nagrade, Tsui je dobio i nagradu Olivera E. Buckleya za 1984. godinu, koju dodjeljuje Američko fizikalno društvo, te Medalju Franklinovog instituta 1998, za svoj rad na frakcijskom kvantnom Hallovom učinku.


Professor Daniel C. Tsui
Department of Electrical Engineering
Princeton University
P. O. Box 5263
Princeton, NJ 08544
USA





S engleskog preveo dr.sc. B. Horvatić, Institut za fiziku, Zagreb