Det finnes fysikere som lurer på om verden kanskje er 11-dimensjonal, mens andre synes det er mest givende å se verden i 2D – eller 1D, for den saks skyld.

Nobel-spekulasjoner

I år får de få-dimensjonale litt ekstra oppmerksomhet. Årets Nobelsymposium i fysikk handler nettopp om dette feltet, og allerede spekuleres det i om dette også blir tema for årets Nobelpris. 

Både i 2010, da grafén var tema, og i 2013, med Higgs, handlet Nobelsymposiet og -prisen om det samme. 

Uansett er temaet høyaktuelt. 

Susanne Viefers leder et prosjekt om feltet ved Universitetet i Oslo, og forklarer: 

- Vi studerer hva som skjer når vi begrenser kvanteteorien til to eller én dimensjon. Da oppstår det sære fenomener som ikke er tillatt i vår vanlige, tredimensjonale verden. Sære fenomener er noe vi fysikere liker veldig godt, sier hun. 

For eksempel er det i to dimensjoner teoretisk tillatt med anyoner – partikler som bryter med den tradisjonelle lærebokkunnskapen om at alle partikler kan klassifiseres som enten bosoner eller fermioner. Anyoner er ingen av delene.

Fra teori til virkelighet

Fram til begynnelsen av 1980-tallet var dette matematikk, men nå er det en realitet. På laboratorier har forskerne laget materialer hvor partikler er fanget i én eller to dimensjoner.

Et eksempel er to halvlederkrystaller som settes sammen og kjøles ned til bare en brøkdel av en grad over det absolutte nullpunkt. I grenseflaten mellom de to materialene blir elektronene fanget. De kan kun bevege seg i dette planet, altså i to dimensjoner.

Susanne Viefers, professor i fysikk ved Universitetet i Oslo.

Foto: UiO

Utsetter man dette materialet for et veldig sterkt magnetfelt, oppstår et fenomen som kalles Kvante-Halleffekten, som har ført til to tidligere Nobelpriser. I denne settingen opptrer anyoner.

Og det stopper ikke der: Kvante-Halleffekten er på en måte prototypen for en hel klasse med nye, eksotiske materialer som er blitt oppdaget de siste årene.

Gasser av kalde atomer er det også mulig å manipulere slik at de blir én- eller to-dimensjonale.

Mange anvendelser på vei

Men hvorfor studere og eksperimentere med dette?

- Først og fremst er det vi holder på med grunnforskning. Det er interessant i seg selv å forstå fysikken. Men når det er sagt: Mange av materialene i moderne nanoteknologi vil inneholde lavdimensjonelle elementer, påpeker Viefers. 

Den nevnte kvante-Halleffekten definerer nå SI-standarden for elektrisk motstand. Og drømmen på lang sikt er at denne forskningen kan føre til en veldig robust type kvantedatamaskin.

Dette siste investerer forøvrig Microsoft stort i, noe som ble omtalt i en artikkel i New York Times 23. juni: Microsoft Makes Bet Quantum Computing Is Next Breakthrough.

Grunnleggende forståelse er en forutsetning for å lage ny teknologi. Ta grafén som eksempel. Det er et 2D-materiale laget av ett lag karbonatomer. Her er det mange anvendelser på vei. For eksempel bøyelige skjermer for smarttelefoner. 

Eller karbon-nanorør. Dette er grafén rullet sammen til bittesmå rør, slik at fysikken i dem blir én-dimensjonal.

Skiller seg fra Higgs-jakten

Viefers forteller at forskerne i Oslo jobber teoretisk, i samarbeid med flere grupper i utlandet og ved NTNU.

- Men i dette feltet er det godt samspill mellom teoretikere og laboratorier som holder på med eksperimenter. Noen kommer opp med ny teori, som så blir testet i lab, nye problemstillinger oppstår, det utvikles nytt teoretisk rammeverk. Ethvert prestisjeuniversitet i USA har en aktivitet innen denne typen teoretisk fysikk, sier fysikkprofessoren.

Det er ikke slik at alle jobber mot et felles konkret mål, som for eksempel var tilfelle i jakten på Higgsbosonet. Fagfeltet har snarere vært preget av en rekke nye, uventede fenomener, med mye ny forståelse som har vokst fram over flere tiår.