Menyertai Bengkel ‘Topological Phase Transitions and New Developments’ di Nanyang Technological University, Singapura

Laporan oleh: Mohd Faudzi Umar

Calon Doktor Falsafah, Institut Penyelidikan Matematik, INSPEM Universiti Putra Malaysia

Bengkel ‘Topological Phase Transitions and New Developments’ di Nanyang Technological University, Singapura pada 5-8 Jun 2017

Kita sedia maklum bahawa tahun 2016, Hadiah Nobel Fizik disandang oleh David Thouless, Duncan Haldane dan Michael Kosterlitz dengan penyelidikan mereka iaitu, “penemuan teori bagi peralihan fasa topologi dan fasa topologi jirim”, hal ini boleh dirujuk dalam artikel MajalahSains.Com [1-2]. Oleh itu, rentetan daripada anugerah ini, Insititute of Advanced Study (IAS) di Universiti Teknologi Nanyang, Singapura telah mengorak langkah terkehadapan dengan menganjurkan Bengkel Peralihan Fasa Topologi dan Pembangunan Baharu pada 5-8 Jun 2017, di mana seminggu awal mereka juga mengadakan pra-kuliah untuk pelajar bagi memantapkan pengetahuan asas tentang topologi dan sains bahan. Bengkel tersebut boleh dirujuk ke pautan ini: http://www.ntu.edu.sg/ias/upcomingevents/TPT17/Pages/default.aspx

Antara tujuan penganjuran bengkel ini ialah bagi menyemarakkan sains dan teknologi di rantau Asia dan Singapura menjadi mediumnya, hal ini juga kerap kali diperkatakan oleh Pengarah IAS, Prof K. K. Phua dalam ucaptama beliau di hari pertama bengkel. Kata beliau lagi ini juga hasrat Perdana Menteri Singapura tak hairanlah bengkel ini juga ditaja oleh Lee Foundation. Bengkel ini berlangsung selama empat hari yang dihadiri oleh pembentang-pembentang di mana nama-nama mereka tertera dalam makalah berimpak tinggi dengan sitasi yang banyak, tidak ketinggalan juga dua pemenang Hadiah Nobel Fizik (2016) iaitu Michael Kosterlitz dan Duncan Haldane yang mewarnai suasana akademik dalam bengkel ini.

Apa itu peralihan fasa topologi? Kita ambil gambaran mudah terlebih dahulu, iaitu peralihan fasa daripada ais (pepejal) kepada air (cecair) apabila suhu dikenakan telah mencapai takat lebur (melting point). Peralihan fasa topologi pula dalam makalah Kosterlitz dan Thouless (1973) [3-4] memperihalkan tentang peralihan fasa dalam Model XY (dua-dimensi) di mana berlakunya peralihan daripada pasangan vortex-antivorteks pada suhu rendah kepada vortex dan anti-vorteks yang tak berpasangan apabila mencapai suhu genting, dan fenomena ini dikenali sebagai Peralihan-KT (Kosterlitz-Thouless) atau Peralihan-BKT (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless). Mereka juga memerihalkan bahawa superkonduktan boleh berlaku pada suhu yang rendah dan diperjelaskan fenomenanya bahawa peralihan fasa yang menyebabkan sifat superkonduktan hilang pada suhu yang sangat tinggi. Manakala Haldane [5] menggunakan idea ini bagi memahami rantaian magnet kecil dalam sistem topologi satu dimensi. Ringkasnya, Kosterlitz dan Thouless menemui peralihan fasa yang baru dalam dua-dimensi di mana sifat topologi memainkan peranan penting.

Hari pertama bengkel, pembentangan dimulakan oleh Thierry Giamrchi dengan membincangkan tentang peralihan fasa yang berlaku dalam satu-dimensi boson, di mana kaedah pembosonan berasaskan model Haldane (bagi topologi 1-dimensi) telah membincangkan kes ‘bersih’ atau kes tak teratur (kotor).

Nota: ‘Bersih’ bermaksud tanpa kehadiran keupayaan kuasi berkala dan teratur. Idea menggabungkan interaksi dan medan tolok statik bagi memahami jirim kuantum telah dibentang oleh Rosario Fazio dari Scuola Normale Superiore, beliau juga mengaitkan zarah kuasi Majorana.

Seterusnya pembentang yang ditunggu dalam bengkel ini, iaitu Michael Kosterlitz (Hadiah Nobel Fizik 2016). Pada zahirnya beliau seorang yang periang dan ketika awal pembentangan, beliau memaklumkan bagaimana beliau boleh terlibat dalam penyelidikan peralihan fasa topologi bersama Thouless, walhal ijazah doktorat beliau dalam fizik tenaga tinggi dari Universiti Oxford. Beliau tidak berharap untuk menyelusuri dalam bidang jirim terkondensasi, kerana ketika Thouless menceritakan idea agung ini kepada Kosterlitz di Birmingham, beliau berseloroh bahawa satu istilah apapun beliau tidak faham apa yang Thouless cuba katakan. Dalam pembentangan tersebut beliau hanya mengulas beberapa kegunaan topologi dalam peralihan fasa dua-dimensi, pembentangan beliau agak bersifat kronologi kajian.

Jorge Jose, pembentangan beliau pula lebih terarah kepada sejarah dan kronologi penemuan pasca 1974, malah pembentangan beliau banyak ulasan dan petikan daripada buku suntingan baharu beliau yang bertajuk, “40 Years of Berezinskii-Kosterlitz-Thouless Theory”. Di sebelah petang pula, pembentangan dimulakan dengan John Reppy dari Universiti Cornell yang membicarakan tentang peralihan superbendalir dalam cecair Helium-4, di mana kajian beliau agak berkait rapat dengan geometri bagi peralihan fasa. Seterusnya Wang Yao bercakap tentang fenomena topologi dalam corak Moire dalam heterostruktur van der Waals. Hari pertama bengkel diakhiri dengan dua pembentang iaitu Arthur Hebard dan Pieralberto Machetti yang masing-masing membincangkan tentang penyelidikan semasa mereka iaitu kajian superkonduktan teraruh kehampiran dalam simpangan Bi-2212/1T-TaS₂ dan mekanisma topologi pada superkonduktan dalam kuprat.

Hari Kedua

Pada keesokan harinya, pembentangan pertama pada hari kedua sangat dinantikan iaitu Duncan M. Haldane juga memenangi Hadiah Nobel Fizik 2016 bersama Kosterlitz dan Thouless. Apapun penulis tertarik dengan perbincangan geometri tak kalis tertib (noncommutative geometry) kerana ia adalah bidang kajian kedoktoran penulis, tak sangka pula fenomena geometri tersebut juga boleh berlaku pada jirim terkondensasi. Sedia maklum bahawa fenomena geometri tak kalis tertib hanya berlaku pada skala Planck, pembincangan beliau sangat mengujakan dan pengetahuan baharu. Pembentangan seterusnya, ringkasnya Nicolas Regnault, Frank Pollmann dan Gerardo Ortiz masing-masing membincangkan tentang kesan Hall kuantum boson, cecair spin kuantum dan topologi superbendalir dalam sistem fermion bertolakan.

Christopher Lobb dan Valerii Vinokour membentang tentang peralihan-KT dan –BKT. Melalui Skype secara langsung, Lobb membentang tentang hasil dapat kajian beliau ke atas interaksi vorteks hampir menyamai ramalan peralihan-KT. Vinokour pula dilihat seorang yang komited dalam penyelidikan, penyelidikan beliau adalah tentang peralihan superkonduktor-penebat, juga memperkukuhkan peralihan-BKT sebagai platform yang universal dalam keadaan superkonduktor dan superpenebat. Hari kedua bengkel diakhiri dengan perbincangan meja bulat dibarisi oleh Rosario Fazio, Duncan Haldane, Shun-Qing Shen, Michael Kosterlitz, Nicolas Regnault dan Valerii Vinokour dengan tema “Masa depan peralihan fasa topologi.”

Sedikit catatan, Haldane berharap agar fenomena peralihan fasa topologi dilihat dalam sistem tiga-dimensi, sedangkan Kosterlitz berseloroh bahawa beliau tidak tahu tentang masa depan, katanya lagi, “jika saya tahu tentang masa depan sudah tentu saya seorang bilionair”. Seperti yang dimaklumi Vinokour seorang yang komited, beliau membicara tentang eksperimen yang boleh dilakukan untuk melihat lebih mendalam fenomena ini, tambahan pula beliau adalah seorang penyelidik di Makmal Kebangsaan Argone, Amerika Syarikat. Manakala Fazio berbicara dari sudut superkomputer.

Hari ketiga bengkel, pembentangan dimulakan dengan Stephen Teitel tentang peralihan fasa daripada tatasusunan simpang Josephson kepada aliran jirim bergranul. Mike Gunn bercakap tentang ketidakstabilan cahaya dan atom dalam satu dimensi. Apapun terdapat dua pembentang agak mempunyai kelainan daripada yang lain, di mana mereka menggunakan fenomena peralihan fasa topologi ke atas bunyi dan struktur nuklear. Baile Zhang dari Universiti Teknologi Nanyang membentangkan tentang fasa topologi pada bunyi, fenomena ini berlaku apabila medan dikenakan bagi melihat kesan magnet pada bunyi. Martin Freer yang juga pembentang terakhir pada hari ketiga pula menimbulkan tanda tanya bahawa gambar dalam buku teks tentang nuklei ringan, bahawa neutron dan proton berterabur secara homogen adalah kurang tepat. Beliau memberikan Berilium-8, -9, -10 dan -11 sebagai contoh mudah.

Pada hari terakhir bengkel, dalam pembentangan Zidan Wang, beliau telah memanipulasi jalur semilogam bertopologi dalam litar kuantum superkonduktor bagi mengesan kelakuan topologi yang eksotik. Herbert Fertig dari Universiti Indiana menggunakan kaedah berangka bagi melihat kesan magnet bendasing ke atas model aloi (Sn, Pb)Te. John Saunder dan Yayu Wang masing-masing bercakap tentang korelasi jirim kuantum dan topologi superbendalir dan fenomena mengangkut dengan filem nipis didopkan secara magnet. Bengkel ini diakhiri dengan dua pembentang daripada Universiti Teknologi Nanyang sendiri, iaitu Yidong Chong dan Justing Chong yang masing-masing memperihalkan peralihan fasa bertopologi dalam kekisi fotonik dan anomaly dalm jirim bertopologi.

Komentar peribadi

Sedikit refleksi tentang bengkel ini ialah pertama penganjurannya sangat berprestij kerana menjemput pemenang Hadiah Nobel Fizik dalam bidang tersebut, sudah tentulah kosnya sangat tinggi namun nilainya sangat setimpal, iaitu menyemarakkan lagi budaya penyelidikan dalam bidang tersebut di Singapura. Kedua, suasana akademik dan ilmiahnya ‘hidup’ meskipun masa minum petang atau makan tengahari, pembentang dalam bengkel tersebut tak putus-putus dengan soalan dan perbincangan daripada peserta. Ketiga, penglibatan pelajar ijazah sarjanamuda dalam bengkel ini adalah satu tindakan yang bijak, supaya pelajar yang segar dengan input penyelidikan semasa. Apapun penulis dan rakan-rakan dari Malaysia meninggalkan Kota Temasik ini dengan pengalaman yang berharga dan suasana akademik inilah yang perlu kita imarahkan bersama di Malaysia.

Nota// Penulis merupakan Pensyarah Fizik di UPSI, Tanjung Malim yang kini sedang menyambung pengajian di peringkat Doktor Falsafah di Institut Penyelidikan Matematik (INSPEM), Universiti Putra Malaysia

Bibliografi

[1] Mohd Faudzi Umar. (2016) Hadiah Nobel Fizik 2016: Di antara Matematik Bentuk dan Sains Bahan. http://www.majalahsains.com/hadiah-nobel-fizik-2016-di-antara-matematik-bentuk-dan-sains-bahan/

[2] Hishamuddin Zainuddin. (2017) Apa yang Menarik tentang Zarah Kuantum dan Topologi di Sebalik Hadiah Nobel Fizik 2016? http://www.majalahsains.com/apa-yang-menarik-tentang-zarah-kuantum-dan-topologi-di-sebalik-hadiah-nobel-fizik-2016/

[3] Kosterlitz, J. M.; Thouless, D. J. (1973). Ordering, metastability and phase transitions in two-dimensional systems, Journal of Physics C: Solid State Physics, 6 (7): 1181–1203 http://www.physics.uci.edu/~taborek/publications/other/jcv6i7p1181.pdf

[4] Kosterlitz, J. M. (1974). The critical properties of the two-dimensional xy model. Journal of Physics C: Solid State Physics, 7(6), 1046. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0022-3719/7/6/005/pdf

[5] Haldane, F.D.M. (1983). Continuum dynamics of the 1-D Heisenberg antiferromagnet: Identification with the O(3) nonlinear sigma model. Physics Letters A, 93(9):464–468. http://ac.els-cdn.com/037596018390631X/1-s2.0-037596018390631X-main.pdf?_tid=d2d6b8dc-8ad0-11e6-be13-00000aacb35d&acdnat=1475654197_96bf315c62e3cd9c7001fedaca18c3c6