Niente onde gravitazionali, il Premio Nobel per la Fisica va alla scoperta del volto “esotico” della materia

Il Premio Nobel 2016 in Fisica è stato assegnato a tre scienziati britannici che lavorano negli Stati Uniti: David Thouless e, congiuntamente, a F. Duncan Haldane e Michael Kosterlitz per, si legge nella motivazione ufficiale dell'Accademia Svedese delle Scienze, "le loro scoperte teoriche sulle transizioni topologiche di fase e delle fasi topologiche della materia", in particolare superconduttori, superfluidi e film magnetici.
Stefano Pisani, 04 Novembre 2016
Micron
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Giornalista Scientifico

Il Premio Nobel 2016 in Fisica è stato assegnato a tre scienziati britannici che lavorano negli Stati Uniti: David Thouless (nato nel 1934, attualmente in forze alla University of Washington, Seattle, che da solo ha ricevuto metà del premio) e, congiuntamente, a F. Duncan Haldane (nato nel 1951, Princeton University) e Michael Kosterlitz (nato nel 1942, Brown University, Providence) per, si legge nella motivazione ufficiale dell’Accademia Svedese delle Scienze, “le loro scoperte teoriche sulle transizioni topologiche di fase e delle fasi topologiche della materia”, in particolare superconduttori, superfluidi e film magnetici. Gli otto milioni di corone svedesi, corrispondenti a oltre 830 mila euro, andranno per metà a Thouless e per metà a Haldane e Kosterlitz.
I tre scienziati lavorano nel campo della fisica della materia condensata, una delle aree più vivaci della fisica, che studia le proprietà fisiche microscopiche della materia e che si inoltra in un mondo che ha regole ben diverse da quelle che siamo abituati a osservare nella fisica che abbiamo sotto gli occhi ogni giorno, ossia il mondo quantistico. Grazie ai loro lavori sono stati scoperti comportamenti dei materiali totalmente imprevisti e i tre hanno sfruttato concetti matematici nel campo della topologia per spiegarli. Le loro scoperte hanno aperto la strada alla progettazione di nuovi materiali con ogni sorta di nuove proprietà.

LE TRANSIZIONI DI FASE
Si parla di transizioni di fase quando si verificano bruschi cambiamenti nelle proprietà di un materiale, per esempio quando l’acqua diventa ghiaccio, scendendo al di sotto di una certa temperatura, e quindi passa dalla sua fase liquida a quella solida. Thouless, Haldane e Kosterlitz hanno dimostrato che certi materiali vanno incontro, in modo analogo, anche a brusche transizioni nelle loro proprietà elettriche, come avviene per esempio nei superconduttori, che manifestano un calo improvviso della resistenza elettrica quando portati al di sotto di una certa temperatura. Il Nobel di quest’anno incrocia matematica e fisica, dato che i tre scienziati hanno usato sapientemente concetti topologici nel campo della fisica.

GLI STRUMENTI TOPOLOGICI
La topologia è un settore della matematica, in particolare della geometria. Alcuni ritengono che sia la visione moderna della geometria. In matematica esistono diversi tipi di geometria che si distinguono, essenzialmente, sulla base delle trasformazioni che, nel loro ambito, mutano un oggetto in un oggetto diverso. Nella topologia, se l’oggetto viene deformato con continuità, l’oggetto in cui si trasforma alla fine è “la stessa cosa” di quello di partenza. Così, per esempio, un triangolo può essere deformato, distorto “con continuità” fino a essere trasformato in un cerchio, che è “topologicamente equivalente” al triangolo. Le due figure appartengono alla stessa categoria.

SUPERFLUIDI E SUPERCONDUTTORI
Utilizzando concetti topologici, si diceva, i tre hanno dimostrato proprietà interessantissime di stati particolari della materia. Per esempio, nel campo dei superconduttori o dei superfluidi. La superconduttività è un fenomeno fisico, non descrivibile con la fisica classica, che porta particolari materiali (detti materiali superconduttori o semplicemente superconduttori) ad assumere resistenza nulla al passaggio di corrente elettrica al di sotto di una certa temperatura e ad espellere (completamente o in parte) i campi magnetici presenti al loro interno. Nei superfluidi, invece, si verifica per esempio che, al di sotto di una certa temperatura, i vortici ruotano in eterno, senza rallentare mai (la viscosità scompare).
Nei primi anni Settanta, Michael Kosterlitz e David Thouless hanno dimostrato che, a differenza di quanto si pensasse all’epoca, la superconduttività è un fenomeno che si può verificare anche in superfici sottili: fino ad allora, si riteneva che l’ “appiattimento” in due dimensioni annullasse le transizioni di fase della materia, anche con temperature prossime allo zero assoluto. I loro studi hanno inoltre spiegato i meccanismi di transizione di fase in base ai quali la superconduttività scompare a temperature più elevate.
Nel 1980, Thouless è stato in grado di dimostrare perché, negli strati sottili di materiale, la conduttività elettrica cambia con un passo che segue numeri interi (che hanno una natura topologica). Grazie alle loro ricerche è emerso che durante i passaggi di fase, la materia partiva da uno stato ordinato per diventare disordinata e che, inoltre, questi passaggi avvenivano con la formazione di vortici che si estendevano progressivamente. Quasi nello stesso periodo, Duncan Haldane ha scoperto come usare concetti topologici per comprendere le proprietà delle catene di piccoli magneti che si trovano in alcuni particolari materiali. In sostanza, Kosterlitz e Thouless hanno studiato il comportamento elettrico interno di superfici (o strati) estremamente sottili (che i fisici chiamano “materiali bidimensionali”), Haldane si è invece dedicato a quei materiali materia che formano fili così sottili da poter essere considerati unidimensionali.

IL COMPUTER QUANTISTICO E IL FUTURO
Negli ultimi dieci anni, questo settore ha stimolato la ricerca di prima linea nel campo della fisica della materia condensata. In particolare perché si spera che i materiali i materiali topologici possano essere utilizzati nelle nuove generazioni di prodotti elettronici e nei superconduttori, o nei futuri computer quantistici. Un computer quantistico, che esegue le classiche operazioni sfruttando fenomeni tipici della meccanica quantistica, è una sorta di supercomputer teoricamente in grado di eseguire compiti elaborati in tempi estremamente rapidi e che potrebbe calcolare in poco tempo soluzioni per problemi così complessi che richiederebbero centinaia di anni a un computer tradizionale. A tal proposito, arriva il commento del presidente del Consiglio Nazionale delle Ricerche, Massimo Inguscio: «Questi nuovi materiali quantistici ‘esotici’ proteggono dai disturbi dovuti a rumore, impurità e disordine. In tal modo vengono preservate quelle caratteristiche che aprono prospettive reali nello sviluppo di mattoni fondamentali per le tecnologie del futuro, per esempio di bit quantistici estremamente stabili che potrebbero avvicinare la realizzazione di calcolatori rivoluzionari. Il Cnr, in sinergia con il mondo universitario, lavora in questi campi di frontiera sia con nuovi materiali allo stato solido che con simulatori con atomi ultrafreddi. Ed è tanto impegnato in questo sforzo verso il futuro da coordinare la road map italiana nella importante flagship lanciata dall’Europa proprio sul tema delle tecnologie quantistiche».

Ecco un breve riassunto del Nobel di oggi

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