Nobel per la fisica 2016, vince la “materia esotica”

Le previsioni della vigilia sono state sconfessate: gli scienziati della collaborazione Ligo, che a febbraio scorso avevano annunciato l’individuazione delle onde gravitazionali, dovranno aspettare ancora (almeno) un anno. Il premio Nobel per la fisica 2016 è infatti stato assegnato per metà a David J. Thouless e per metà a F. Duncan M. Haldane e J. Michael Kosterlitz, “per le scoperte teoriche delle transizioni di fase topologiche e le fasi topologiche della materia”. Un argomento squisitamente teorico e molto complicato, che coinvolge il bizzarro mondo della meccanica quantistica e i cosiddetti stati esotici della materia. Vediamo di cosa si tratta.

Topologia e transizioni di fase

“I Nobel di quest’anno”, dichiara l’Accademia Svedese delle scienze, “hanno aperto la porta per un mondo sconosciuto, dove la materia può presentarsi in stati molto strani”. Le scoperte che hanno fruttato il Nobel a Thouless, Haldane e Kosterlitz risalgono agli anni ’80 e riguardano la descrizione teorica di fenomeni e meccanismi estremamente bizzarri e controintuitivi, come i cosiddetti superconduttori, superfluidi e le pellicole magnetiche ultrasottili, che ha aperto la strada ad applicazioni pratiche nell’ambito della scienza dei materiali e dell’elettronica. I tre scienziati – con le rispettive équipe – si sono occupati, in particolare, della topologia delle transizioni di fase: con il termine topologia si intende la branca della matematica che descrive le proprietà di figure e forme quando queste sono sottoposte a deformazioni continue, ovvero cambiamenti senza tagli, strappi o incollature (per fare un esempio pratico: supponete di avere una pallina dentro un pallone. Anche allungando, deformando, stringendo il pallone non c’è modo di tirare fuori la pallina – l’unico modo per farlo è rompere il pallone. Per questo, il dentro e il fuori del pallone detti sono spazi topologici); con i termini transizioni di fase, invece, si intende la trasformazione di un sistema fisico da uno stato all’altro (per esempio l’acqua che passa dallo stato liquido allo stato solido), con conseguente cambio repentino e non graduale delle proprietà fisiche e chimiche del sistema stesso.

Materia “strana”

Per rendere le cose più complicate – come se non lo fossero abbastanza – bisogna spostare il discorso nel mondo delle particelle microscopiche, regolate dalle leggi della meccanica quantistica. Kosterlitz e Thouless hanno studiato i fenomeni che avvengono quando la materia è così sottile da poter essere considerata bidimensionale – strati di materia la cui altezza è trascurabile rispetto a larghezza e lunghezza –, mentre Haldane, analogamente, ha analizzato i casi in cui la materia si organizza in fili tanto impalpabili da poter essere considerati unidimensionali.

Come aveva già intuito, in epoca non sospetta, Edwin Abbott, il geniale autore di Flatlandia, i fenomeni che avvengono in scenari bi- o monodimensionali sono molto diversi da quelli che osserviamo nella realtà tridimensionale. In particolare a livello microscopico: anche se il comportamento dei singoli atomi può essere spiegato con le leggi della meccanica quantistica, questi si comportano in modo totalmente differente quando costretti a convivere insieme su superfici bidimensionali, e ancor di più quando la temperatura scende molto vicina allo zero assoluto (-273,15° C). Al diminuire della temperatura, la materia si organizza in stati molto diversi, passando dal cosiddetto plasma allo stato gassoso, a quello liquido, a quello solido e infine, nelle vicinanze dello zero assoluto, al cosiddetto condensato quantistico, uno stato in cui le leggi quantistiche iniziano a valere anche a livello macroscopico.

Thouless e Kosterlitz, all’inizio degli anni ’70, hanno per l’appunto studiato l’ordine con cui si organizza la materia vicino allo zero assoluto in strati di materia molto sottile. Usando gli strumenti della topologia, hanno caratterizzato matematicamente le transizioni di fase su tali superfici, scoprendo che queste sono completamente diverse da quelle tradizionali (per esempio la transizione acqua liquida-ghiaccio) e che sono innescate da microscopici vortici che si formano a coppie molto vicine e che, al salire della temperatura, tendono ad allontanarsi l’uno dall’altro. Si tratta della cosiddetta transizione BKT (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless), modello teorico considerato una pietra miliare nel campo della materia condensata.

Una decina di anni più tardi, inoltre, Thouless e Haldane indagarono, in modo indipendente, le proprietà di conduttività elettrica della materia a temperature molto basse e in presenza di forti campi magnetici. Ancora una volta, dai loro lavori emerse che la topologia gioca un ruolo vitale nel cambiamento delle proprietà fisiche dei materiali in scenari così particolari: per esempio al fatto che la conduttività elettrica in strati molto sottili di materia può assumere solo valori ben precisi e determinati, un comportamento piuttosto inusuale nella fisica (per i più curiosi, si tratta del cosiddetto effetto Hall quantistico). Le scoperte di Thouless, Haldane e Kosterlitz, per quanto squisitamente teoriche, hanno aperto la porta, nel corso degli anni, ad applicazioni pratiche estremamente promettenti, come lo sviluppo di nuovi materiali superconduttori e superfludi o significativi passi in avanti nel campo dell’informatica quantistica: “Questi nuovi materiali quantistici ‘esotici’ proteggono dai disturbi dovuti a rumore, impurità e disordine”, ha commentato Massimo Inguscio, presidente del Consiglio Nazionale delle Ricerche. “In tal modo vengono preservate quelle caratteristiche che aprono prospettive reali nello sviluppo di mattoni fondamentali per le tecnologie del futuro, ad esempio di bit quantistici estremamente stabili che potrebbero avvicinare la realizzazione di calcolatori rivoluzionari”.

I vincitori: David J. Thouless

Classe 1934, è un fisico britannico. Ha conseguito il dottorato nel 1958 alla Cornell University, Ithaca, a New York. Attualmente è professore emerito alla University of Washington di Seattle.

I vincitori: F. Duncan M. Haldane

Nato nel 1951 a Londra, ha conseguito il dottorato di ricerca alla Cambridge University nel 1978. Attualmente è docente di fisica alla Princeton University.

I vincitori: J. Michael Kosterlitz

Nato nel 1942 ad Aberdeen, in Scozia, dottorato nel 1969 alla Oxford University, attualmente è professore di fisica alla Brown University di Providence, negli Stati Uniti.

Via: Wired.it