Fysikpriset: Inblick i materiens innersta
av Anders Wallerius Forum 1998-11, sida 16-17, 19.11.1998
Bell Laboratories
Kvantvätska, virtuellt laboratorium och fördelningsmekanik belöna ÅRETS NOBELPRIS I FYSIK, KEMI OCH EKONOMI UTDELAS SOM TRADITIONEN FÖRUTSÄTTER DEN 10 DECEMBER, PÅ ALFRED NOBELS DÖDSDAG. FYSIKPRISET GES FÖR UPPTÄCKTEN AV EN NY FORM AV KVANTVÄTSKA, KEMIPRISET FÖR UTVECKLING
AV TÄTHETSFUNKTIONALTEORIN OCH KVANTKEMISK BERÄKNINGSMETODIK, OCH EKONOMIPRISET FÖR VÄLFÄRDSFOÖRSKNING OM FÖRDELNING.
Robert Laughli € tre amerikanska fysikpristagarna, Robert Laughlin, Horst Störmer och Daniel Tsui. har studerat ‘kvantvätska’ av elektroner. Under mycket speciella omständigheter bildar elektronerna ”kvasipartiklar” som kan kondensera
Horst Störmer
Pans Daniel Tsui till ett slags vätska med märkliga egenskaper Teorierna runt elektronvätskan är nära besläktade med redan prisade fenomen som haileffekten, supraledning och supravätskor. Pristagarnas arbeten ger än djupare inblick i materiens allra innersta.
I normala fall kan elektroner inte klumpa ihop sig med varandra eftersom de är fermioner (elementarpartiklar med halvtaligt ”spinn’) och därmed skyr varandra som pesten. Men under vissa extrema villkor kan elektronerna förklä sig till bosoner (partikar med heltaligt spinn), som gärna klumpar ihop sig med varandra.
Robert Laughlin får priset för att han lyckats förklara hur det hela hänger ihop. Hans teorier beskriver hur kvasipartiklar och elektronvätskor bildas.
Horst Störmer och Daniel Tsui har ätt priset för att ha gjort det i verkigheten. I sina experiment har de fått elektroner att bilda kvantvätska genom att samtidigt stänga in dem, kyla ned dem och utsätta dem för ett magnetfält: Elektronerna låses in i det tunna skiktet mellan två halvledare (galliumarsenid och gallium-aluminiumarsenid). Där kan de röra sig fritt med lätthet, men bara i ett plan (en tvådimensionell elektrongas). Därefter kyls de ned till några tiotals millikelvin. Slutligen utsätts de för ett mycket kraftigt magnetfält, upp till trettio tesla, tvärs genom planet.
Under dessa extrema förhållanden tvingas elektronerna snurra runt i
En ”ögonblicksbild’ av den nya kvantvätskan. De gröna bollarna representerar elektroner. De svarta pilarna är magnetiska fältlinjer Den blåa bergsytan representerar sannolikheten för att bitta en extra elektron som lagts i kvantvätskan. Bilden ingår i en artikel om ämnet skriven av bl.a. Horst Störmer i tidskriften Science, nr 248, sid 1510 (1990). Datorbilden har skapats av Tom Duff.
FORUM NR 11/9 trånga cirklar (cyklotronbanor). De parar ihop sig med flödeskvanta från det starka magnetfältet (magnetflödet är kvantiserat) och bildar en kvasipartikel. Partikeln består av tre, fem, sju eller fler magnetfältskvanta, vid sidan av elektronen. Denna märkliga partikel har heltaligt spinn och uppträder således som en boson. Därmed kan den kondensera till vätska.
Kvantvätskan är i det närmaste omöjlig att trycka ihop eftersom det förutsätter att nya kvasipartiklar bildas. Och det krävs oerhört mycket energi för att framställa en sådan partikel. Inte nog med det. En kvasipartikel får paradoxalt nog en laddning som bara är en bråkdel av den ingående elektronens “odelbara’ enhetsladdning. En partikel bestående av tre flödeskvanta och en elektron får exempelvis en tredjedels elektronladdning osv. Det beror på att flödeskvanta påverkar elektronen. Elektronens balans rubbas (precesserar) så att det uppstår ett tomrum i partikeln. Detta positivt laddade ”hål’, som har en bråkdels enhetsladdning, förtar en del av den negativa elektronladdningen.
Nyligen har andra forskare visat att tredjedelsladdningarna existerar i verkligheten. Med ytterligt känsliga förstärkare har de mätt bruset från strömmen genom en kvantvätska. Det visar sig att bruset är motsvarande lägre än om det varit elektronladdningar som burit strömmen.
Sannolikt har inte elektronvätskan någon näraliggande tillämpning; de tre pristagarnas arbeten är ren grundforskning. Men i ett femtioårigt perspektiv kanske kvasipartiklarna kan tämjas till att göra nytta i något slags framtida elektronik. &
Anders Wallerius/Ny teknik Läs mer på http.//uwwuw.kva.se
Tre fick fysikpriset
Robert Laughlin, Horst Störmer och Daniel Tsui delar 1998 års Nobelpris i fysik, med motiveringen ”för deras upptäckt av en ny form av kvantvätska med fraktionellt laddade excitationer”. Störmer och Tsui gjorde sina första experiment 1982 och Laughlin lade fram sin teori året efter.
FORUM NR 11/98
Walther Kokm
Elektrontätbeten bos aminosyran cystein beräknad med kvantkemiskt datorprogram. Bilden visar en yta med elektrontätheten 0.002 elektroner/Å?: nästan alla elektroner befinner sig innanför ytan. Gråskatan visar de elektrostatiska potentialen, mörkare partier svarar mot negativ potential.
ättre med virtuella experimen i datorn än att slaska med be svärliga kemikalier under drag skåpet. Så resonerar forskare idag och skänker en tacksamhetens tanke till årets Nobelpristagare i kemi, John Pople och Walter Kolin. Popie och Kohn har använt kvantmekanikens teorier till att skapa ett nytt sätt att undersöka molekyler och följa kemiska reaktioner. Resultatet blev en ny gren inom kemin, kvantkemin. Ihop med nutidens kraftfulla datorer gör deras metoder det möjligt att utforska kemins innersta väsen på dataskärmen. Och ibland till och med göra det bättre än med ‘verkliga experiment.
Många andra har naturligtvis bidragit till det kvantkemiska bygget, men Nobelkommittén ser Pople och Kohn som de två portalfigurerna.
John Pople eftersom han lyckades förenkla den gamla kvantmekanikens ekvationer hundrafalt och samtidigt fick en mycket hög noggrannhet i sina beräkningar. Det var ett stort steg från de tidigare uträkningarna som byggde på approximationer kring elektronernas antal och lägen. Hans datorprogram, Gaussian, blev en succé på 1970talet. Idag används det i utvecklat skick över hela världen.
Walter Kohn, som med sin teori om täthetsfunktionalen förfinade och förenklade Poples beräkningsmetoder. Enligt Kohns teori behöver man inte ta hänsyn till varje enskild elektrons rörelse. Det räcker att veta hur mång elektroner som i genomsnitt befinner sig i varje punkt i rummet, den så kallade elektrontätheten.
Basen för både Poples och Kohns teorier formulerades av en annan Nobelpristagare österrikaren Erwin Schrödinger. Han skapade den ekvation som förklarar kvantmekaniken för 70 år sedan, och fick Nobelpriset i fysik för det 1933. Schrödingers ekvation gjorde det möjligt att beräkna hur elektroner och atomer växelverkar och bygger upp materien.
Det här gick bra att tillämpa inom fysiken. Men kemin med sina komplicerade molekyler och reaktioner var betydligt svårare att komma åt. Datorernas intåg på G0-talet satte fart på utvecklingen.
Det verkliga genombrottet för kvantkemin kom för tio år sedan. Då började man kunna studera stora sammansatta molekyler som enzymer. Nu används kvantkemin för så vitt skilda syften som att undersöka okända molekyler i världsrymden och växelverkan mellan proteiner och olika likemedelssubstanser. & Kerstin Österberg/Ny teknik
Två delar kemipriset
Walter Kohn och John Pople delar nobelpriset i kemi med motiveringen ”till Walter Kohn för hans utveckling av täthetsfunktionalteorin och till John Pople för hans utveckling av kvantkemisk beräkningsmetodik.”
John A, Pople