Nobel per la Fisica 2016: la scoperta della materia “esotica”

È innegabile che una delle cose che più affascina coloro che si avvicinano alla Fisica è l'uso di un lessico particolare, come nel caso delle motivazioni che hanno portato l'Accademia delle Scienze Svedesi ad assegnare il Premio Nobel per la Fisica per il 2016.
Quest'anno il Premio è andato per metà a David J. Thouless dell'Università di Seattle, nello stato di Washington in USA, per un quarto a F. Duncan M. Haldane, dell'Università di Princeton in USA e per il restante quarto a J. Michel Kosterlitz dell'Università di Providence in USA, per le loro ricerche teoriche sulle Transizioni di Fase Topologiche (dette transizioni di fase KT dalle iniziali di Kosterlitz e Thouless, o BKT, per ricordare il compianto professor Berezinskij, autore di alcuni importanti contributi alla ricerca) e sulle Fasi Topologiche della Materia.
Nonostante questi tre professori insegnino tutti negli Stati Uniti essi sono nati nel Regno Unito, e le loro ricerche sono iniziate negli anni ‘70 e ‘80 del secolo scorso.

Nel discorso tenuto in occasione dell'assegnazione del premio il prof. Thors Hans Hansson, membro del Comitato per l'Assegnazione del Premio, ha iniziato utilizzando dei panini che costituivano il suo pranzo: un panino al sesamo, una ciambella e un pretzel, dicendo che il fatto che i tre panini avessero un numero diverso di buchi li portava ad essere topologicamente diversi, e che non è possibile trasformare topologicamente uno nell'altro senza romperli.

Allo stesso modo la materia “esotica” si presenta a differenti temperature in diversi stati di aggregazione; per le temperature molto alte essa si aggrega in stati complessi (come il plasma) e, quando viene portata a temperature molto basse, vicine allo zero assoluto (-273,2 °C, che è la minima temperatura raggiungibile da qualsiasi cosa), in questi stati topologici. E se basta alzare o abbassare la temperatura per passare da uno stato solido ad uno liquido o gassoso (transizioni di fase), per gli stati topologici occorre qualcosa in più: l'indeterminazione quantistica che sembrerebbe rompersi a causa della sparizione di una o due dimensioni in realtà viene superata dal fatto che si vengono a creare dei piccoli vortici (proprio come dei minuscoli uragani) nel materiale sottilissimo.

Prima di continuare occorre però dire almeno due parole su cos'è la Topologia, cioè quella branca della Matematica che studia le proprietà delle figure e delle forme che sono invarianti quando vengono sottoposte a deformazioni che non comportino strappi, incollature o sovrapposizioni di parti differenti. Per la Topologia, ad esempio, un cubo e una sfera sono la stessa cosa, perché si possono trasformare l'uno nell'altra senza romperli o sovrapporli. Una sfera e una ciambella sono topologicamente diversi, invece, perché occorre fare un buco al centro della sfera per ottenere la ciambella.
Quando la Topologia viene applicata alla Fisica della Materia predice degli stati di aggregazione definiti “esotici”. Questa parola, “esotico”, che non è molto rigorosa, esprime, citando testualmente l'annuncio dell'Accademia delle Scienze, “la meraviglia degli scienziati di fronte a qualcosa di insolito e di molto difficile da spiegare”. Quando la Materia si aggrega in questi stati “esotici” acquista delle nuove proprietà, come la superconduttività (il materiale non oppone più resistenza al passaggio di una corrente elettrica o di un campo magnetico) e la superfluidità (il materiale non ha più viscosità), arrivando anche a teorizzare l'esistenza di materiali nuovi (come il grafene, realizzati concretamente), o come oggetti nuovi (come i computer quantistici, ancora in via di definizione).

Le ricerche di Thouless e Kosterlitz hanno riguardato le pellicole sottili (spazi topologici bidimensionali), mentre Haldane si è specializzato nei materiali che si dispongono su catene molto sottili (spazi topologici unidimensionali), che nessuno credeva potessero essere un valido campo di ricerca. Contro l'opinione comune del tempo i tre ricercatori hanno deciso di investire le loro ricerche proprio in quelle aree da tutti ritenute infeconde, e sono riusciti addirittura a vincere un Premio Nobel, il massimo riconoscimento per un ricercatore scientifico.
A questo livello dimensionale la Meccanica Quantistica acquisisce un ruolo fondamentale nella comprensione dei fenomeni, e l'utilizzo della Topologia aiuta a comprendere cosa succede (e a predire cosa potrebbe succedere) in particolari condizioni.
Thouless e Haldane hanno teorizzato e sperimentato quello che viene definito effetto quantistico di Hall: sottoponendo un materiale esotico ad un campo magnetico ad intensità crescente in maniera continua, la loro conduttività aumentava in maniera discreta. È l'effetto quantistico di Hall, previsto da Thouless e sperimentato dal professor von Klitzing, altro Premio Nobel per la Fisica, nel 1985.
Questo apparente mistero fu spiegato utilizzando la Topologia perché essa si interessa alla quantizzazione degli stati, il che significa che possono esistere materiali senza buchi, con un buco, con due, tre, … insomma con un numero intero di buchi (non ha senso infatti parlare di mezzo buco o di una frazione di buco).
Haldane, invece, dimostrò nel 1988 che anche in materiali tridimensionali, in particolari condizioni, e addirittura senza applicare alcun campo magnetico esterno, si poteva rivelare un campo magnetico indotto dall'effetto quantistico di Hall. L'esperimento venne realizzato solo nel 2014.
È raro vedere un Premio Nobel per la Fisica che premia una ricerca di Matematica applicata alla Materia, ma la bellezza e la ricchezza delle ricerche di Thouless, Haldane e Kosterlitz rendono finalmente ragione di oltre 40 anni di studi, diventando una fonte incredibile di materiale da ricercare e di cose nuove da scoprire!
Una delle domande che quest'anno si sono posti i giornalisti è: come mai non hanno vinto i creatori dell'esperimento LI.GO, ovvero del rivelatore delle Onde Gravitazionali di cui abbiamo parlato ampiamente in un articolo precedente? La risposta è che il Premio Nobel non è il Premio Oscar, che premia solo i film usciti nell'anno precedente, ma premia soprattutto le ricerche fatte e le realizzazioni concrete ottenute da queste ricerche, come infatti testimonia il Premio Nobel 2016 che è stato consegnato per delle ricerche iniziate nel 1972 e nel 1982! Ci sarà tempo per le Onde!
Vista la quantità di interesse suscitato da queste ricerche nella comunità scientifica e di materiale che è già stato creato a questo riguardo, se oggi fossi un giovane studente interessato alla Fisica della Materia mi orienterei sicuramente verso il mondo della materia “esotica” e degli stati topologici della materia. Ah, la Ricerca…

Enrico Cirillo

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