НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1998 г. / ФИЗИКА / ДАНИЪЛ ЦИ

Даниъл Ци (Daniel Tsui)

28 февруари 1939 г.

Физика (заедно с Робърт Лафлин и Хорст Щьормер)

(За откриването на нова форма на квантова течност с фракционно заредени възбуждания)

Даниъл Ци (на китайски: 崔琦, пинин: Cuī Qí; на английски: Daniel Chee Tsui) е изключителен американски физик от китайски произход, който става световноизвестен със своето откритие на дробния квантов ефект на Хол. За това откритие, което променя из основи разбирането ни за физиката на кондензираната материя, той е удостоен с Нобеловата награда за физика през 1998 г., споделяйки я с Хорст Щьормер и Робърт Лафлин.

Ранни години и пътят от селото в Китай до САЩ

Историята на Даниъл Ци е една от най-вдъхновяващите в света на науката. Той е роден на 28 февруари 1939 г. в село Баофън, провинция Хънан, Китай. Роден е в бедно селско семейство – баща му е неграмотен селянин, а майка му била изключително мъдра жена, която насърчавала образованието на децата си.

Детството му е белязано от тежките години на Втората китайско-японска война и последвалата гражданска война. През 1951 г., за да избегне бедността и нестабилността в континентален Китай, 12-годишният Даниъл е изпратен от родителите си в Хонконг при по-големите си сестри. Това е последният път, когато вижда родителите си – баща му умира през 1954 г., а майка му – през 1965 г., но поради политическата ситуация не може да се върне, за да ги види.

В Хонконг Ци учи в престижното протестантско училище "Пуй Чинг" (Pui Ching Middle School). Неговият талант е забелязан бързо. През 1957 г. получава пълна стипендия за обучение в Колежа Августина (Augustana College) в Рок Айлънд, щат Илинойс, САЩ. Това е възможно благодарение на програма на американската църква, която подпомага китайски студенти.

В Колежа Августина Ци учи физика и математика, дълбоко повлиян от професор по физика, който го насърчава да преследва научна кариера. След като завършва с отличие през 1961 г., продължава образованието си в Чикагския университет, където през 1967 г. получава докторска степен по физика. Негов научен ръководител е Алън Биърдън – изявен изследовател в областта на физиката на твърдото тяло.

Професионален път

След докторантурата си, през 1968 г. Ци постъпва в знаменитите Бел Лаборатории (Bell Laboratories) в Ню Джърси – място, което по това време е център на технологичните и физичните открития в света (там са изобретени транзисторът, лазерът, открито е фоновото космическо излъчване и др.).

В Бел Лабораториите Ци започва да изследва електронните свойства на тънките слоеве полупроводници. Тук е сложено началото на дългогодишното му и плодотворно сътрудничество с германския физик Хорст Щьормер. През 1982 г. те правят откритието, което ще им донесе Нобеловата награда.

През 1983 г. Ци напуска Бел Лаб и става професор по електроинженерство и приложна физика в Принстънския университет, където остава активен до края на академичната си кариера.

Революционното откритие: Дробен квантов ефект на Хол

За да се разбере значението на работата на Ци, трябва да се направи кратка ретроспекция:

1. Класическият ефект на Хол: Когато през проводник преминава ток и се приложи магнитно поле перпендикулярно на него, електроните се отклоняват и се създава напрежение (Хол напрежение) напречно на тока.

2. Целочислен квантов ефект на Хол (1980): Немският физик Клаус фон Клитцинг открива, че при много ниски температури и силни магнитни полета, Хол съпротивлението не се променя плавно, а на "стъпки" (квантува се), като стойностите са точни кратни на константата h/e² (където h е константата на Планк, а e е зарядът на електрона). За това откритие фон Клитцинг получава Нобелова награда през 1985 г. Това изглежда логично – електроните са неделими, така че техният заряд може да се групира само в цели числа.

Експериментът на Ци и Щьормер (1982 г.):

Даниъл Ци и Хорст Щьормер решават да отидат още по-далече. Те използват висококачествени полупроводникови хетероструктури (създадени от Артър Госард), състоящи се от галиев арсенид (GaAs) и галий-алуминиев арсенид (AlGaAs). Тези материали позволяват създаването на "двуизмерен електронен газ" – слой, в който електроните могат да се движат само в две измерения (няма дебелина).

При още по-екстремни условия от тези на фон Клитцинг – температури близо до абсолютната нула (около 0.1 Келвина) и много силни магнитни полета – Ци и Щьормер наблюдават нещо, което противоречи на здравия смисъл. Хол съпротивлението образува стъпки при дробни стойности – най-напред при 1/3, а след това при 2/5, 3/7 и т.н. от константата.

Как е възможно това? Електронът е фундаментална частица с заряд -1. Как може да съществува заряд от 1/3?

Отговорът идва година по-късно (1983 г.) от теоретика Робърт Лафлин. Той обяснява, че при тези екстремни условия електроните не действат сами. Силното магнитно поле кара електроните да се свържат с квантите на магнитния поток (магнетони), образувайки нов вид квантова течност. В тази течност възникват колективни възбуждания, наречени квазичастици, които се държат така, сякаш имат дробен заряд (напр. 1/3 от заряда на електрона).

Това е първото наблюдение в историята на физиката на частици, които нямат цял заряд, и доказва, че квантовите корелации между много частици могат да породят изцяло нови физични феномени.

Значение на откритието

Откритието на дробния квантов ефект на Хол (FQHE) има огромно значение за съвременната физика:

Нов тип частици: То въвежда концепцията за "квазичастици" с дробен заряд и дробна статистика (наречени "аниони" – anyons), които не са нито фермиони, нито бозони.

Топологична физика: FQHE е един от първите и най-ясни примери за топологичен ред в кондензираната материя. Това е фундаментално за съвременните изследвания на топологични изолатори и свръхпроводници.

Квантови компютри: Теорията за анионите, произлизаща от работата на Ци, Щьормер и Лафлин, лежи днес в основата на едно от най-обещаващите направления за създаване на квантови компютри – топологичното квантово смятане, което е много по-устойчиво на грешки (декохеренция).

Характер и признание

Даниъл Ци е известен в научната общност със своята изключителна скромност, тих нрав и дълбока отдаденост на работата си. Колегите му често го описват като перфекционист и експериментатор от най-висок клас, който може да прекарва месеци в настройването на уредите си, за да получи безупречни данни.

Освен Нобеловата награда (1998), Ци е носител на много престижни отличия, сред които: Награда Оливър Бъки (Oliver E. Buckley Condensed Matter Physics Prize) на Американското физично дружество (1984) – споделена със Щьормер. Член е на Националната академия на науките на САЩ (1987), на Американското философско общество и на Американската академия на изкуствата и науките.

Даниъл Ци се пенсионира от Принстънския университет като почетен професор (Professor Emeritus) през 2003 г., но продължава да следи развитието на физиката.

Неговият живот – от бедно селце в раздиран от войни Китай до върха на световната наука – остава значителен пример за това как образованието, упоритостта и любопитството могат да преодолеят всякакви прегради.

Съставил: GLM-5.1

Редактор: Павел Николов