Nobelpriset i fysik En ordningsfråga! Mats Jonson. Nobelkommittén för fysik, KVA

Transkript

1 Nobelpriset i fysik 2003 En ordningsfråga! Mats Jonson Nobelkommittén för fysik, KVA Lärardag i Piteå, 28 oktober 2003

2 Alfred Nobel Född år 1833 i Stockholm, i en familj av ingenjörer. Vid 9 års ålder flyttade han med familjen till Ryssland, där han och hans bröder fick en förstklassig utbildning i humaniora och naturvetenskap Av privata lärare. Nobel uppfann dynamit år 1866 and byggde senare upp företag och laboratorier i mer än 20 länder över hela världen. Han innehade mer 350 patent, han skrev såväl poesi och dramatik och hade allvarliga funderingar på att bli författare. Att skänka bort sin förmögenhet var ingen tillfällig nyck. Att verka för fred låg honom varmt om hjärtat och han fann intellektuell stimulans i litteraturen, medan vetenskapen var basen för hans verksamhet som forskare och uppfinnare. Den 27 november 1895 undertecknade Alfred Nobel sitt testamente i Paris. Han dog i San Remo, Italien, den 10 december 1896.

3 Testamentet... utdelas som prisbelöning åt dem, som under det förlupna året hafva gjort menskligheten den största nytta. Räntan delas i fem lika delar, som tillfalla; en del den, som inom fysikens område har gjort den vigtigaste upptäckt eller uppfinning; en del den som har gjort den vigtigaste kemiska upptäckt eller förbättring

4 Vetenskapsakademiens uppdrag Prisen för fysik och kemi utdelas af Svenska Vetenskapsakademien; Det är min uttryckliga vilja att vid prisutdelningarna intet afseende fästes vid någon slags nationalitetstillhörighet, sålunda att den värdigaste erhåller priset antingen han är skandinav eller ej.

5 Att utse Nobelpristagare I september förra året inbjöds ca 2200 personer att nominera kandidater till Nobelpriset i fysik nomineringar inkom före 1 februari i år - Antalet priskandidater var Ungefär 75 kandidater utreddes under året Alfred Nobels Björkborn, Karlskoga

6 Pristagarna 2003 för banbrytande insatser inom teorin för supraledare och supravätskor Alexei Abrikosov Vitaly Ginzburg Anthony Leggett USA (Ryssland) Ryssland USA (England)

7 Pristagarna 2003 för banbrytande insatser inom teorin för supraledare och supravätskor Alexei Abrikosov Vitaly Ginzburg Anthony Leggett USA (Ryssland) Ryssland USA (England)

8 ...supraledare och supravätskor Kvantfysik sedd med egna ögon: Magnet flytande över en supraledare Fontäneffekt i supraflytande helium Q: Varför makroskopiska kvanteffekter? A: En ordningsfråga! Abrikosov, Ginzburg and Leggett har upptäckt ett antal olika slags ordning i supraledare och supravätskor med observerbara konsekvenser

9 Supraledning: 1911: Experimentell upptäckt av Kamerlingh Onnes (NP 1913) 1957: Detaljerad BCS-theory för en typ (typ I) av Bardeen, Cooper, Schrieffer (NP 1972) bygger på idén om kondensation av elektronpar Cooperpar Typ I: Fullständig Meissnereffekt (utträngning av magnetfält) Typ II: Partiell Meissnereffekt (förklaras ej av BCS)

10 Två slags supraledare: typ I o typ II B, M Typ I: med fullständig Meissnereffekt B=H+M H c1 H c H c2 Meissner phase Shubnikov (mixed) phase M H H c : kritiskt magnetfält (termodynamiskt) H: Yttre magnetfält; M: magnetisering; B=H+M: inducerat magnetfält

11 Två slags supraledare: typ I o typ II B, M B=H+M Typ I: med fullständig Meissnereffekt Typ II: utan fullständig Meissnereffekt Meissner phase Shubnikov (mixed) phase H c1 H c M H c2 H H c1 : undre kritiskt magnetfält H c : kritiskt magnetfält (termodynamiskt) H c2 : övre kritiskt magnetfält H: Yttre magnetfält; M: magnetisering; B=H+M: inducerat magnetfält

12 Typ II-supraledare Abrikosovvirvlar 1957: Abrikosov... hittade en virvellösning för typ II-supraledare som klargör villkoren för samexistens av magnetism och supraledning... gav detaljerade förutsägelse för hur supraledning försvinner genom överlapp av virvelkärnor... gav namn åt och initierade typ II-forskning som fortfarande är mycket aktuell ( högtemperatursupraledare, t.ex.) magnetisk flödestråd grad av ordning y Abrikosovvirvel x x cirkulärt superflöde

13 Virveln en topologisk defekt Abrikosovgitter av magnetiska flödestrådar (virvlar) i NbSe 2 vid 1 Oe (överst), 3 Oe (nederst) Analoga topologiska defekter finns i typ II-supraledare i magnetfält (Abrikosovvirvel till vänster), tvådimensionella elektrongaser i starkt magnetfält (skyrmioner ovan till vänster) och i roterande supraflytande helium (3,4) ovan till höger)

14 Ginzburg-Landauteori... Ytenergi vi N-S gränsyta N ξ S λ ξ: koherenslängd ordning H λ: penetrationsdjup för ett yttre magnetfält κ=λ/ξ (GL-parametern) N/S-ytenergin ~ (1/ 2 κ) x Ψ 1950: Ginzburg och Landau introducerade en komplex ordningsparameter (vågfunktion) Ψ(r) för att beskriva ordningen i en supraledare. - Värdet på Ginzburg-Landau parametern κ avgör om det är typ I eller typ II-supraledare -Instabiliteten för typ I då κ>1/ 2 förstods fullt ut först senare av Abrikosov

15 ... med några fler detaljer Serieutveckla fria energin i en ordningsparameter Ψ, Ψ 2 =n s f s = f n + α Ψ + ( β / 2) 2 Ψ Magnetfält ger rumsberoende, lägg till gradienttermer (och fältterm) 1 2m * * 2 1 ( ih e A) Ψ( r) + ( A) 2, 2µ 0 ( )/ µ 0 H = A EM gauge invarians! Stabil supraledande lösning om β är en positiv konstant och α = α 0 (T-T c ) Energi T>T c T<Tc Ψ

16 2m Ginzurg-Landaus ekvationer Minimera energin genom variation δψ, δψ*, δα, ger två GL-ekvationer (och ett randvillkor) = * e h 2m c e m c * * e ih A Ψ + αψ + β Ψ Ψ 0 * * 2 j = ( Ψ Ψ Ψ Ψ ) + Ψ A c * * 2 * 2 Liknar (icke-linear) Schrödingerekv. Liknar strömtäthet i kvatmekaniken GL-teorin innehåller två karakteristiska längder: ξ: koherenslängden; λ: inträgningsdjupet för magnetfält GL-parametern: κ = λ/ξ λ(t), ξ(t) ~ 1/(T c T) ½

17 Några av Ginzurg-Landaus resultat N ξ S ordning H Ψ Kritiska strömtätheter Kritiska magnetfält Ytenergier S/N... λ x Ytenergin vid gräns mellan supraledande/normal fas: Minskad energi ~ λ fältenergin = λµ 0 H 02 /2 Ökad energi ~ ξ kondensationsenergin = ξµ 0 H 02 /2 2 Ytenergin: (ξ/ 2-λ)µ 0 H 02 /2 ~ (1/ 2 κ) NEGATIV FÖR κ> 1/ 2

18 Betydelse MRI Magneter för LHC (CERN) Svävande tåg - Supraledande (typ II) magneter har i det moderna samhället viktig användning - Ginzburg-Landauteorin används brett inom fysiken (även inom till exempel strängteorin) -Enda teoretiska verktyget för inhomogena supraledare (t.ex. HTSC)

19 Suprafluiditet i helium-3 Supra- : Elektronvätskan (metaller), 1911 vätskor Helium-4, 1938 Helium-3, 1972 I motsats till elektronerna, bildar 3 He par med spinn och rörelsemängdsmoment skilda från noll. Dessa inre frihetsgrader leder till mer än ett möjligt supraflytande tillstånd (ordningsparametern har inte 2 utan 18 komponenter!) spinn orbitalröresle

20 Historik kring teoribildningen 1957: BCS-teorin beskriver kondensation av elektronpar i isotropiska tillstånd avseende såväl spinn som relativ banrörelse (singlettillstånd, S ij =0, L ij =0) Därefter teoretiskt intresse av att utvidga teorin till anistropa supravätskor med kondensation av par med inre struktur (t.ex. S=1, L=1 som för 3 He)

21 Historik kring teoribildningen 1957: BCS-teorin beskriver kondensation av elektronpar i isotropiska tillstånd avseende såväl spinn som relativ banrörelse (singlettillstånd, S ij =0, L ij =0) Därefter teoretiskt intresse av att utvidga teorin till anistropa supravätskor med kondensation av par med inre struktur (t.ex. S ij =1, L ij =1 som för 3 He) : Flera förslag om suprafluiditet i 3 He. Repulsiv växelverkan ansågs leda till att det relativa rörelsemängdsmomentet måste vara >0, p- eller d-tillstånd. Om det förra leder Pauliprincipen till att parens totala spinn är i ett tripplettillstånd med tre möjliga projektioner S ij,z =+1, 0, -1 svarande mot tillståndsvarande mot tillstånden ( ), ( + )/ 2 och ( ).

22 Historik kring teoribildningen 1957: BCS-teorin beskriver kondensation av elektronpar i isotropiska tillstånd avseende såväl spinn som relativ banrörelse (singlettillstånd, S ij =0, L ij =0) Därefter teoretiskt intresse av att utvidga teorin till anistropa supravätskor med kondensation av par med inre struktur (t.ex. S ij =1, L ij =1 som för 3 He) : Flera förslag om suprafluiditet i 3 He. Repulsiv växelverkan ansågs leda till att det relativa rörelsemängdsmomentet måste vara >0, p- eller d-tillstånd. Om det förra leder Pauliprincipen till att parens totala spinn är i ett tripplettillstånd med tre möjliga projektioner S ij,z =+1, 0, -1 svarande mot tillståndsvarande mot tillstånden ( ), ( + )/ 2 och ( ) : Några egenskaper hos anistropiska kvantvätskor beräknades teoretiskt. Anderson och Morel förespråkade ett kondensat bestående av par som bildar spintripletter med cirkulär polarisation (S ij,z =±1), där enbart tillstånden ( ) och ( ) är inblandade, medan Balian och Wertheimer visade att lägre energi fås med ett partillstånd som även har komponenten ( + )/ 2.

23 Kärnmagnetisk resonans (NMR) Osheroff, Richardson och Lee 1972 (NP 1996) Andra publikationen med NMR data: I A-fasen ett temp-beroende skift i resonansfrekvensen som försvinner vid övergången till normal fas. Vid övergången från A- till B-fasen försvinner skiftet i resonansfrekvens plötsligt, samtidigt som den magnetiska susceptibiliteten halveras. Första publikationen, felaktig tolkning som fasövergång i fast fas

24 Helium 3 - en anisotropisk supravätska (a) (b) (c) (d) A phase 0 (e) B phase 1972: Legget identifierar de supraflytande faserna (A, B) med mikroskopiska modeller (A: ABM-fasen ; B: BW-fasen ). Förklarar NMR-resultaten fullständigt i termer av vad han kallade samtidigt brutna spinn-ban symmetrier och gör förutsägelser om longitudinell NMR mm

25 Leggett publicerar i två arbeten 1972 och 1973 en fullständig teoretisk förklaring av NMR-resultaten som identifierar A-fasen Leggett 1972: NMR-resultaten i A-fasen implicerar en spontant bruten spinn-bansymmetri för varje par. De parade atomernas rörelse i rummet är kopplad till deras spinntillstånd. Endast den magnetiska dipolväxelverkan kan ligga bakom denna brutna symmetri; normalt är den dock för svag för att vara betydelsefull. Men p-vågssupraledning med spinn i cirkulärt polariserade triplettillstånd (Sij,z=±1) av den typ Anderson och Morel (ABM-fasen) studerat ger en förklaring: dipolväxelverkan förstärks eftersom alla kondenserade par är i samma spinntillstånd. Med hjälp av en sumregel beräknar han sedan elegant skiftet i resonansfrekvensen ω 2 uttryckt i ett matriselement som kan beräknas med hjälp av mikrosopisk teori.

26 Legget 1973: Viktiga förutsägelser. En var förekomsten av longitudinell resonant NMR-absorbtion av ett rf-magnetfält orienterat parallellt med, i stället för som normalt vinkelrät mot det yttre magnetfältet i både ABM- fasen och BW-fasen. Leggets detaljerade förutsägelser låg bakom den definitiva förståelsen av den supraflytande A-fasen, som visade sig motsvara ABM-fasen. B-fasen identifierades med BW-fasen, medan Ambegaokar och Mermin (1973) kunde visa teoretiskt att i A1-fasen, som stabiliseras vid ökat magnetfält, endast en spinnkomponent ( ) eller ( ) var inblandad.

27 Betydelse -Inomvetenskaplig betydelse ( verktygslådan större) (a) Virvel skapad i roterande 3 He. (b) Över en kritisk temperatur hamnar virveln längs rotationsaxeln (c) Under den kritiska temperaturen bildar virvlarna ett virrvarr - Helium-3 har använts för modellstudier av såväl turbulens som kosmologiska frågeställningar (analogier)

28 Pristagarna 2003 för banbrytande insatser inom teorin för supraledare och supravätskor Alexei Abrikosov Vitaly Ginzburg Anthony Leggett... eller: för att ha visat oss vilken typ av mikroskopisk ORDNING som ger upphov till kvantfysikaliska effekter på makroskopisk skala i supraledare (typ II) och supravätskor (supraflytande helium-3)