Premio Nobel
Di Antonio Andolfi
Il premio Nobel per la Fisica 2016 è stato assegnato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz per i loro studi sulle transizioni di fase topologiche e per le fasi topologiche della materia
Si tratta di in campo di ricerca molto complesso, che ha che vedere con il modo in cui la materia assume stati strani e imprevisti. I tre scienziati inglesi hanno utilizzato dei modelli matematici molto complessi e i loro studi stanno permettendo di esplorare gli stati più esotici della materia e di applicare questi ultimi allo studio di nuovi materiali.
Ma andiamo con ordine.
David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz hanno spiegato gli strani fenomeni a cui va incontro la materia quando cambia fase o stato, come avviene per i superconduttori, i superfluidi e i film magnetici. Per farlo hanno applicato alla fisica la topologia, una branca della matematica che studia le proprietà geometriche delle figure indipendentemente dal concetto di misura.
Hanno così posto le basi per capire il comportamento della materia a basse temperature o in presenza di campi magnetici.
Ma cos’è la topologia?
La topologia dei materiali, spiega come e perché cambiano le proprietà (come la conduttività elettrica) all’interno degli strati sottili della materia.
Kosterlitz e Thouless hanno studiato il comportamento elettrico delle superfici e dell’interno di materiali bidimensionali. Haldane ha studiato materia così sottile che può essere considerata monodimensionale.
I membri del Comitato di assegnazione del Nobel hanno provato a spiegare la complessa questione usando un bagel, un pretzel e un panino.
Per la topologia, non è importante la forma o il sapore di quei 3 dolcetti. Ma soltanto il numero di buchi. L’obiettivo della tipologia è descrivere forme e strutture attraverso alcune caratteristiche fondamentali, come il numero di fori. Così topologicamente parlando, una tazza è lo stesso di una ciambella, in quanto entrambi hanno un foro.
Utilizzando la topologia come uno strumento, i tre ricercatori hanno così aperto numerosi campi di ricerca e creato dei concetti nuovi ed importanti in diversi campi della fisica, prima di tutto quella dei materiali e dei superconduttori.
Andando un po’ più in profondità, tutta la materia è governata dalle leggi della fisica quantistica. Gli stati a noi più comuni della materia sono quello solido, liquido e gassoso. E’ in questi stati che gli effetti quantistici veri e propri sono mascherati dai movimenti degli atomi. Ma in condizioni estreme, a temperature prossime allo zero assoluto (-273°C), la materia assume nuovi stati particolari, comportandosi in modi diversi da quelli classici. E’ proprio in queste situazioni che i fenomeni quantistici diventano osservabili.
Quando cambia la temperatura cambiano anche gli stati della materia. L’esempio classico è quello dell’acqua: sotto lo zero è costituita da cristalli ordinati (ghiaccio); quando la temperatura aumenta cambia stato, diventa liquida e la sua materia si organizza in maniera decisamente più caotica.
Allo stesso modo, i materiali piatti studiati dai tre Nobel, cambiano il loro stato in modi inaspettati quando la loro temperatura viene portata quasi allo zero assoluto: per esempio le particelle perdono ogni attrito. Questo aspetto è particolarmente evidente nei superconduttori, in grado di far passare corrente elettrica senza creare resistenza e dispersioni di energia, e nei superfluidi.
Le ricerche in questo campo potrebbero servire a trovare nuovi materiali dalle proprietà interessanti per quanto riguarda la capacità di condurre elettricità o per lo spin degli elettroni, utilizzabili per trasportare informazioni in modo più efficiente.
Ma queste ricerche sono importanti anche per quanto riguarda la meccanic quantistica: in futuro tutte queste conoscenze potrebbero servire a mettere a punto, per esempio, computer quantistici.
David J. Thouless è nato nel 1934 a Bearsden (Scozia) nel Regno Unito, e ha conseguito il suo dottorato nel 1958 presso la Cornell University negli Stati Uniti.
F.Duncan M. Haldane è nato nel 1951 a Londra e ha conseguito il dottorato nel 1978 a Cambridge, sempre nel Regno Unito.
Michael Kosterlitz è nato nel 1942 ad Aberdeen (Scozia), ha conseguito il dottorato nel 1969 presso la Oxford University.