Institutionen för fysik och astronomi

Kommentar till nobelprisen i fysik

2016 års nobelpris i fysik förklarar magnetiska fenomen

Nobelpriset i fysik 2016 går till tre forskare som med hjälp av avancerade matematiska metoder har lyckats förklara märkliga fenomen hos ovanliga materiefaser, såsom supraledare, supravätskor eller tunna magnetiska filter. Här kommenteras priset av Björgvin Hjörvarsson och Olle Eriksson, forskare vid Uppsala universitet och ledamöter i Kungliga Vetenskapsakademien.

Topologi handlar om egenskaper som förändras stegvis, som antalet hål i en kopp, munk eller pretzel. 
Foto/bild: Johan Jarnestad, Kungliga vetenskapsakademien.
Björgvin Hjörvarsson
Björgvin Hjörvarsson.
Foto: Camilla Thulin

David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane och J. Michael Kosterlitz tilldelas nobelpriset i fysik med motiveringen: ”för teoretiska upptäckter av topologiska fasövergångar och topologiska materiefaser”.

- Konceptet topologiska faser var ett helt nytt inslag med avseende på hur vi betraktar ordning i vår fysikaliska värld. Innan dess pratade vi om plasma, gas, vätska och fasta faser. Nu har vi en ny familjemedlem och släktträdet kan även vara ofullbordat med den nya släktingen, säger Björgvin Hjörvarsson, professor i materialfysik och ledamot i Kungliga Vetenskapsakademien i fysikklassen.

Egenskaper som inte förändras

Topologi beskriver egenskaper som inte förändras då objekt deformeras, dras ut eller vrids. Om ett föremål slits itu förändras dock topologin. Upptäckten har gett en djupare teoretisk förståelse av materien och bekriver egenskaper som förändras stegvis.

Olle Eriksson
Olle Eriksson.
Foto: Camila Thulin

​- Med topologska faser menas oftas ett tillstånd som har ett gap i excitationsspektrumet, det vill säga det krävs en minimienergi för att skapa ett exciterat tillstånd, koppplat till att man har en topologiskt kvanttal. Även om det senare är något abstrakt kan det tänkas beskriva hur något har en inre struktur. Ett exempel är hur många varv degen i en kanelbulle har rullats, eller hur många hål det finns - ett för en munk och kopp, två för en pretzel, säger Olle Eriksson, professor i teoretisk magnetism och ledamot i Kungliga Vetenskapsakademien i fysikklassen.

Forskning om magnetiska fenomen

Upptäckten, som Thouless, Haldane och Kosterlitz tilldelas nobelpriset i fysik för, är viktig för beskrivningen av komplexa magnetiska fenomen, där Uppsala universitet har pågående forskning. Bland annat studeras så kallade excitationer i magnetiska material (se faktarutan). En del av dessa excitationer, så kallade skyrmioner, är topologiska och studeras vid institutionen för fysik och astronomi. Inom det här området kommer en avhandling, av doktoranden Kristofer Björnson, i december 2016 och Annica Black-Schaffer forskar också inom området.

- Att få ett nobelpris så nära verksamheten kommer att sporra alla involverade och också öka intresset från externa aktörer för vad vi gör, säger Björgvin Hjörvarsson.

Nobelpristagarnas upptäckter har lett till ett flertal genombrott i den teoretiska förståelsen av materiens hemligheter. Dessutom har det öppnat nya forskningsområden som förhoppningsvis är av betydelse för framtida utveckling av nya material, såsom nya generationer av elektronik och supraledare, eller framtida kvantdatorer. 

- De klaraste tillämpningarna man kan förvänta sig är nog i förlängningen, energisnålare och snabbare elektronik och bättre media för informationslagring, säger Olle Eriksson.

- Framtiden är svår att uttala sig om, men ifall vi betraktar detta i ett historiskt perspektiv så kan det sägas att allt det som vi kopplar till det moderna samhället har sina rötter i framsteg inom material. Med andra ord, det kan vara svårt att säga inom vilka områden denna insikt kommer till störst nytta, men, det vi kan vara säkra på är att detta kommer att vara en viktig del av vår framtid, säger Björgvin Hjörvarsson.

Fakta

  • Prissumman var på åtta miljoner svenska kronor, där ena hälften gick till David Thouless och den andra hälften till Duncan Haldane och Michael Kosterlitz.

  • Excitationer i magnetiska material kan visualiseras som vågor av magnetiseringsriktningen. Tänk dig en sträng av pyttesmå magneter som alla pekar åt ett och samma håll. Excitation i denna bild motsvarar vågor av riktningsändringar hos spinn i kedjan. 

Läs mer

Seminarium om topologiska material den 26 oktober 2016

Annica Black-Schaffers forskning

KVAs pressmeddelandet 2016 års nobelpris i fysik

KVAs populärvetenskaplig information om 2016 års nobelpris i fysik

Camilla Thulin

Kommentar till 2015 års nobelpris i fysik

2015 års nobelpris i fysik tilldelades Takaaki Kajita, Super-Kamiokande Collaboration, University of Tokyo, Kashiwa, Japan och Arthur B. McDonald, Sudbury Neutrino Observatory Collaboration, Queen’s University, Kingston, Kanada.

De båda tilldelades priset "för avgörande insatser i experiment som avslöjat att neutriner byter identitet. Denna förvandlingskonst kräver att neutriner har massa. Upptäckten har ändrat vår förståelse av materiens innersta och kan visa sig avgörande för vår bild av universum."

Varje år, dagarna efter nobelprisutdelningen i Stockholm, bjuds pristagarna in till Uppsala universitet för att hålla i nobelföreläsningar öppna för allmänhet. Årets föreläsning i fysik, som äger rum söndagen den 13 december, kommer att hållas av den ena av årets fysikpristagare professor Arthur B. McDonald i Universitetshuset kl 10.

Olga Botner, professor vid institutionen för fysik och astronomi på Uppsala universitet och ledamot av Nobelkommittén för fysik fick svara på ett antal frågorkopplad till den forskning 2015 års nobelpristagare i fysik bedriver. 

Varför är forskning inom det här området viktig?
Neutrinon är en fascinerande partikel. Den har ingen elektrisk laddning, rör sig i stort sett med samma fart som ljus och växelverkar oerhört sällan. Därför vet vi endast lite om neutrinons egenskaper. Länge trodde vi att neutriner var masslösa precis som ljuspartiklar, fotoner. Som följd av de experiment som belönas med Nobelpris i år vet vi nu att neutriner har massa (om än mycket liten sådan).

Det finns ofantligt många neutriner i universum. De flesta bildades snart efter Big Bang och utgör en neutrinobakgrund med en temperatur på 1.7 Kelvin. Det faktum att neutriner inte är masslösa påverkar vår förståelse av hur strukturer som galaxer och galaxhopar bildats i det tidiga universum. Neutriner bildas dessutom i stora mängder i stjärnexplosioner, och det faktum att de har massa påverkar vår förståelse av hur grundämnen bildas i dessa explosioner. Slutligen: neutrinon är en av materians minsta byggstenar. Att den har massa påverkar vår förståelse av hur de interagerar. Detta är partikelfysikens område.

Du forskar ju själv inom samma område som årets nobelpristagare. Hur påminner och skiljer sig din egen forskning om det som årets nobelpristagare i fysik har fått pris för? 
Jag leder för närvarande det internationella IceCube-projektet som använder optiska sensorer nedsänkta i den antarktiska glaciären för att leta efter neutriner från rymden. Vi är främst intresserade av neutriner som bildas i närheten av olika objekt ute i universum, till exempel svarta hål. Dessa neutriner har energier som är tusentals gånger större än energierna hos de neutriner som är relevanta för årets Nobelpris. Årets Nobelpristagare har forskat om neutriner från solen (McDonald) och atmosfären (Kajita). 

Men IceCube-detektorn innehåller också en subdetektor som kallas Deep Core och som tillkom på svenskt initiativ. Med denna detektor har våra IceCube-kollegor forskat i samma banor som årets Nobelpristagare och studerat oscillationer hos neutriner som bildas i jordens atmosfär.

Vad tror du forskning inom det här området kan få för konsekvenser framöver?
Det är svårt att sia om vilka konskevenser denna grundforskning kan få framöver. Till exempel kunde inte Einstein förutse att den allmäna relativitetsteorin som han utvecklade i början på förra seklet skulle ge oss GPS-systemet som i stort sett är oumbärligt idag.

Grundforskning över en bred front leder till paradigmskiften - och sådana är svåra att förutse. En ökad förståelse för hur naturen fungerar är en av grundpelarna för det moderna samhället även om det kan vara svårt att se hur varje enskilt genombrott passar in. På kort sikt leder denna fascinerande forskning om neutriner till att flera ungdommar väljer att studera naturvetenskap och lär sig naturvetenskapens metoder så som kritisk tänkande och tänkande utanför ramarna. Och detta är mycket användbart i många samhälleliga sammanhang.

Camilla Thulin

Information om program och samtliga nobelföreläsningar 2015

Läs mer om 2015 års nobelpristagare på KVA:s hemsida

Läs mer om Olga Botner och hennes forskning