Nobel Prize in Physics 2010

Photo: U. Montan

Andre Geim

 

Photo: U. Montan

Konstantin Novoselov

The Nobel Prize in Physics 2010 was awarded jointly to Andre Geim and Konstantin Novoselov

 

"for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene"

The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Physics for 2010 to

Andre Geim
University of Manchester, UK
and
Konstantin Novoselov
University of Manchester, UK
"for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene"

 

Graphene – the perfect atomic lattice

A thin flake of ordinary carbon, just one atom thick, lies behind this year’s Nobel Prize in Physics. Andre Geim and Konstantin Novoselov have shown that carbon in such a flat form has exceptional properties that originate from the remarkable world of quantum physics.

Graphene is a form of carbon. As a material it is completely new – not only the thinnest ever but also the strongest. As a conductor of electricity it performs as well as copper. As a conductor of heat it outperforms all other known materials. It is almost completely transparent, yet so dense that not even helium, the smallest gas atom, can pass through it. Carbon, the basis of all known life on earth, has surprised us once again.

Geim and Novoselov extracted the graphene from a piece of graphite such as is found in ordinary pencils.

Using regular adhesive tape they managed to obtain a flake of carbon with a thickness of just one atom. This at a time when many believed it was impossible for such thin crystalline materials to be stable.

However, with graphene, physicists can now study a new class of two-dimensional materials with unique properties. Graphene makes experiments possible that give new twists to the phenomena in quantum physics. Also a vast variety of practical applications now appear possible including the creation of new materials and the manufacture of innovative electronics. Graphene transistors are predicted to be substantially faster than today’s silicon transistors and result in more efficient computers.

Since it is practically transparent and a good conductor, graphene is suitable for producing transparent touch screens, light panels, and maybe even solar cells.

When mixed into plastics, graphene can turn them into conductors of electricity while making them more heat resistant and mechanically robust. This resilience can be utilised in new super strong materials, which are also thin, elastic and lightweight. In the future, satellites, airplanes, and cars could be manufactured out of the new composite materials.

This year’s Laureates have been working together for a long time now. Konstantin Novoselov, 36, first worked with Andre Geim, 51, as a PhD-student in the Netherlands. He subsequently followed Geim to the United Kingdom. Both of them originally studied and began their careers as physicists in Russia. Now they are both professors at the University of Manchester.

Playfulness is one of their hallmarks, one always learns something in the process and, who knows, you may even hit the jackpot. Like now when they, with graphene, write themselves into the annals of science. 

Read more about this year's prize

Information for the Public

Scientific Background Pdf 1 MB

In order to read the text you need Acrobat Reader.

Links and Further Reading

---

Andre Geim, Dutch citizen. Born 1958 in Sochi, Russia. Ph.D. 1987 from Institute of Solid State Physics, Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, Russia. Director of Manchester Centre for Meso-science & Nanotechnology, Langworthy Professor of Physics and Royal Society 2010 Anniversary Research Professor, University of Manchester, UK.

www.condmat.physics.manchester.ac.uk/people/academic/geim

Konstantin Novoselov, British and Russian citizen. Born 1974 in Nizhny Tagil, Russia. Ph.D. 2004 from Radboud University Nijmegen, The Netherlands. Professor and Royal Society Research Fellow, University of Manchester, UK.

www.condmat.physics.manchester.ac.uk/people/academic/novoselov

Prize amount: SEK 10 million to be shared equally between the Nobel Laureates.

Optika Kuantum

Elektrodinamika Kuantum yang berhasil "dibersihkan" dari problem inherennya oleh Tomonaga, Schwinger, dan Feynman, mayoritas hanya dibahas pada proses-proses hamburan fisika partikel berenergi tinggi. Dapat dimaklumi bahwa pada saat itu, pun hingga sekarang, fisika partikel energi tinggi sangat menantang dan menjanjikan fenomena baru dalam fisika. Konflik antara teori Maxwell dan teori Planck saat itu dianggap tidak akan memiliki efek signifikan dalam fisika optik. Namun hal ini tidak berlangsung lama. Pada tahun 1956 dua astronomiwan, Robert Hanbury Brown dan Richard Q. Twiss, memublikasikan hasil eksperimen mereka dalam sebuah paper yang berjudul A test of a new type of stellar interferometer on Sirius pada majalah Nature. 

Pada percobaan ini dua buah detektor yang terpisah sejauh 6 meter diarahkan pada bintang Sirius. Kedua detektor tersebut menghasilkan arus elektron (listrik) dan dihubungkan dengan peralatan yang mencatat korelasinya. Diluar dugaan, kedua ilmuwan ini menemukan bahwa keluaran kedua detektor memiliki korelasi meski keduanya diletakkan pada posisi yang berlainan. Hasil eksperimen ini menimbulkan perdebatan serius dalam komunitas fisika karena dianggap tidak konsisten dengan termodinamika dan menyalahi ketidak-pastian Heisenberg. 

Hanbury Brown dan Twiss menyelesaikan masalah ini dengan menganggap bahwa foton dari dua berkas cahaya koheren yang datang dari Sirius berkorelasi. Korelasi ini selanjutnya ditransfer pada saat proses emisi fotolistrik dalam detektor. Dengan demikian foton secara individu terdeteksi dalam dunia optik! Pada tahun yang sama Edward M. Purcell menunjukkan bahwa hasil eksperimen tersebut masih memiliki interpretasi klasik, namun ia masih mengasumsikan bahwa efek tersebut merupakan indikasi sifat kuantum dari cahaya. Penemuan serta penjelasan korelasi antara dua berkas cahaya koheren ini merupakan pemicu perhatian ilmuwan pada efek kuantum yang dapat diobservasi secara optis. 

Hal ini juga diperkuat oleh penemuan laser pada tahun 1960 yang melengkapi para ilmuwan dengan sumber cahaya koheren yang sangat berbeda jika dibandingkan dengan sumber cahaya termal. Eksperimen-eksperimen selanjutnya hanya menyibak kegagalan pendekatan semi-klasik yang dijelaskan di atas. Teori yang benar baru muncul pada tahun 1963. Pada tahun 1963 Roy Glauber menghadirkan dasar-dasar teorinya pada sebuah paper singkat yang dipublikasikan dalam jurnal Physical Review Letters. Detail dari teori tersebut ia jelaskan dalam dua paper panjang berikutnya yang dipublikasi pada tahun yang sama dalam jurnal Physical Review. 

Dalam teori ini Glauber menyatakan bahwa penjelasan eksperimen korelasi foton harus berlandaskan pada aplikasi konsisten dari Elektrodinamika Kuantum. Glauber memperkenalkan konsep kuasi-distribusi dalam Optika Kuantum yang merupakan penggambaran kuantum dari satu keadaan, namun memiliki hubungan langsung dengan distribusi ruang fase klasik. Meski demikian, konsep ini menghadirkan juga sifat non-klasik, misalnya peluang distribusinya tidak positif. Jika distribusi positif, maka kita dapat memberikan interpretasi klasik. 

Glauber memperlihatkan bahwa sumber cahaya termal berhubungan dengan distribusi Gaussian sehingga teori fluktuasi dapat digunakan untuk sumber jenis ini. Kasus laser ideal tidak memperlihatkan korelasi Hanbury Brown dan Twiss. Dalam papernya, Glauber menjelaskan analisis dari formalisme untuk pendeteksian foton yang berdasarkan fungsi korelasi normal yang kini dikenal sebagai fungsi-P atau representasi Glauber-Sudarshan. Glauber mencatat bahwa statistik absorpsi foton untuk sebuah laser tidak dapat dijelaskan dengan sifat stokastik sederhana, Gaussian atau Poissonian, namun membutuhkan informasi detail keadaan kuantum dari peralatan. Keadaan-keadaan koheren ini direpresentasikan oleh osilator harmonis. Metode ini juga cocok untuk penjelasan sinyal klasik, karena osilator tersebut memiliki amplitudo dan fase. 

Dengan demikian baik efek klasik maupun fluktuasi kuantum dapat muncul secara simultan. Dalam limit intensitas cahaya yang sangat rendah jumlah foton akan sangat sedikit, sehingga efek kuantum akan dominan. Keadaan ini dapat digunakan untuk komunikasi kuantum dengan tingkat keamanan tinggi, komputasi kuantum, serta untuk merekam sinyal-sinyal super lemah pada eksperimen dengan ketelitian tinggi. Aplikasi lain dari Optika Kuantum adalah dalam penelitian aspek fundamental mekanika kuantum. Bukan rahasia lagi jika interpretasi mekanika kuantum belum dapat disepakati semua fisikawan.

 Dengan demikian kemungkinan menguji teori ini pada daerah kuantum dengan menggunakan Optika Kuantum sudah terbuka. Masih banyak aplikasi Optika Kuantum yang tidak dapat dijelaskan pada tulisan ini. Tidak dapat disangkal, jasa Glauber sudah sepatutnya dihargai dengan hadiah Nobel. 

Sumber: Dr. Terry Mart

 

Learning and coding in biological neural networks

FIETE, ILA RANI, B.S. (University of Michigan) 1997. (Harvard University) 2000.
http://www.physics.harvard.edu/Thesespdfs/Fiete.pdf