Strani fenomeni nella materia esotica: il Nobel a superconduttività e superfluidi

APPROFONDIMENTO – Nella materia accadono cose strane. O meglio, esistono stati inusuali che conferiscono alla materia allo stato quantistico particolari proprietà, che hanno applicazioni importantissime sia a livello di ricerca di base, sia per lo sviluppo delle tecnologie del futuro. Applicazioni che arrivano grazie alle geniali intuizioni di tre scienziati britannici che il 4 ottobre sono stati insigniti del premio Nobel 2016 per la fisica.

Un annuncio che ha lasciato senza parole i presenti e non solo, dato che in molti si aspettavano che il premio andasse alla scoperta delle onde gravitazionali. Per chi è rimasto deluso, e per chi magari non ha capito cosa è accaduto, ecco la spiegazione: i candidati al premio Nobel vengono scelti entro il 31 gennaio e l’annuncio di Ligo e Virgo è arrivato l’11 febbraio, cioè fuori tempo massimo. Motivo per cui per il prossimo anno ci potrebbero essere buone probabilità per le onde gravitazionali, a meno di nuove sorprese.

La commissione del premio, le cui celebrazioni come ogni anno si sono tenute a Stoccolma, motiva la vittoria di David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane e Michael Kosterlitz per “le scoperte teoriche delle transizioni topologiche di fase e delle fasi topologiche della materia”. Una motivazione non facile da intuire per chi non “mastica” la materia, ma che rivela tutta l’importanza di questo premio. Gli studi dei tre scienziati infatti hanno completamente rivoluzionato il nostro modo di vedere la materia da un punto di vista quantistico e sono stati pionieri per la comprensione e l’utilizzo della superconduttività e dei superfluidi, aprendo negli anni Settanta le strade ai computer quantistici e alla tecnologia del futuro, che ora è quasi un presente.

Chi sono i tre scienziati britannici vincitori del premio Nobel?

David Thouless ha 82 anni ed è professore emerito della Washington University a Seattle. Nato nel 1934 a Barsden, in Scozia, ha ottenuto il dottorato alla Cornell University di Ithaca, negli Stati Uniti. Ha insegnato fisica matematica alla Birmingham University, nel Regno Unito, e poi alla Washington University dal 1980.

Frederick Duncan Michael Haldane ha 65 anni e insegna fisica alla Princeton University. Nato nel 1951 a Londra, ha ottenuto un dottorato alla Cambridge University prima di trasferirsi negli Stati Uniti e diventare professore a Princeton.

John Michael Kosterlitz ha 74 anni ed è docente di fisica alla Brown University di Providence. Nato nel 1942 ad Aberdeen, in Scozia, ha studiato alla Oxford University e insegnato alla Birmingham University, per poi arrivare negli Stati Uniti come gli altri colleghi.

Gli stati strani e bizzarri della materia: perché la topologia?

La materia può assumere stati che possiamo definire “strani” e in cui si possono verificare fenomeni come la superconduzione, quando la corrente elettrica passa all’interno di un materiale senza incontrare alcuna resistenza e dunque senza dissipare calore. Ci sono poi fenomeni come la superfluidità, quando sono invece i fluidi a non trovare resistenza alcuna nel loro scorrimento. Comprendere come la materia possa assumere queste caratteristiche non è semplice, ma tra gli anni Settanta e gli anni Ottanta i tre scienziati sono riusciti a scoprire che esiste un modo di descrivere, in termini matematici, questi stati esotici della materia.
La risposta trovata da Thouless, Haldane e Kosterlitz ai loro problemi è stata la topologia. Si tratta di una branca della matematica che studia le proprietà di quelle figure geometriche che non cambiano quando vengono deformate in modo continuo, cioè senza subire strappi, sovrapposizioni o incollature. Una deformazione dunque che non altera le proprietà che la materia ha e continua a mantenere.

L’esempio migliore per spiegare la topologia? Sicuramente quello scelto dai presentatori del premio Nobel, che da un bel sacchetto hanno estratto un panino, una ciambella e un bagel. Oggetti che vengono deformati, attraverso un allungamento della loro superficie e la creazione di un buco al suo interno, senza però cambiarne la caratteristica di pane.

Le transizioni di fase topologiche

La prima scoperta di Thouless e Kosterlitz è stata quella, negli anni Settanta, di smentire la teoria per cui la superconduttività e la superfluidità sono fenomeni che si verificano solo in strati di materiali molto sottili, in un sistema approssimabile quasi a bidimensionale. Gli scienziati hanno dimostrato che questi fenomeni si verificano anche in materiali più grandi, ma in presenza di opportune condizioni, come per esempio una temperatura prossima allo zero assoluto della scala Kelvin, che corrisponde a – 273,15 gradi Celsius.

Il motivo? Il raffreddamento del materiale placa l’agitazione termica delle molecole che lo compongono, permettendo così di passare alle sole interazioni quantistiche a – 273,15 gradi Celsius. Raffreddando gradualmente il materiale, l’agitazione termica delle sue molecole si fa sempre più limitata via via che si si avvicina allo zero assoluto, lasciando il posto alle interazioni quantistiche, che dominano anche i fenomeni macroscopici.

Si tratta dei cambiamenti che nella fisica classica sono già noti come transizioni di fase. Un esempio? Quando raffreddiamo l’acqua allo stato liquido fino a farla diventare ghiaccio, cioè facendola transitare a uno stato solido, in cui le molecole di acqua sono completamente ordinate in un reticolo. Alle temperature vicine allo zero assoluto, i materiali mostrano un flusso di corrente che non risente di eventuali resistenze e la formazione di vortici che ruotano su sé stessi, senza dunque produrre artriti e senza perdere velocità. In queste condizioni i materiali prendono il nome di superfluidi.

Basandosi sulla topologia i ricercatori sono riusciti a dimostrare l’esistenza di una nuova transizione di fase, detta transizione KT in loro onore, in cui lo spin degli atomi forma configurazioni a vortice. Esiste, come per tutte le transizioni di fase, una temperatura critica: sotto questo valore si formano coppie di vortice e antivortice che sono legate tra loro, mentre al di sopra di questa temperatura i vortici hanno una configurazione libera. Proprio come accade per l’acqua, che è in stato solido sotto gli zero gradi Celsius e in stato liquido sopra.

L’effetto Hall quantistico e le transizioni di materia topologiche

Cosa accade invece nel caso della conduzione elettrica a basse temperature e in presenza di un intenso campo magnetico esterno? La risposta arriva dallo studio dell’effetto Hall quantistico, in cui la conducibilità elettrica assume valori particolari: al variare del campo magnetico esterno, la conducibilità – che fino ad allora era considerata come un valore continuo – varia a scalini, cioè di valori che sono multipli interi di una unità fondamentale.

La topologia, anche in questo caso, è diventata la risposta. Le figure topologiche infatti possono essere classificate in funzione del numero di “buchi” che presentano. Per esempio, una sfera o un cubo hanno zero buchi. Un toro, nome matematico della ciambella, o una tazza da caffè, hanno un buco. Un paio di occhiali ne ha due e un bagel tre.
Il numero di buchi è dunque un numero intero. Nell’effetto Hall quantistico si ipotizza che gli elettroni possano muoversi in un modo relativamente libero, che segue dunque la discretizzazione, e che questa libertà permetta di formare un fluido quantistico topologico. Da questo dipende anche la conducibilità elettrica, che è il parametro macroscopico di questo comportamento microscopico del materiale.

Alle ricerche di Kosterliz, arriva poi il contributo alla fine degli anni Ottanta di Haldane, che al modello dell’effetto Hall quantistico aggiunge un pezzo: scopre infatti che i fluidi topologici possono formare superconduttori anche in assenza di campo magnetico esterno.

Dalla materia “esotica” ai computer quantistici

Il primo risultato dunque è stato la scoperta delle transizioni topologiche di fase, che ha permesso di identificare i fluidi Hall quantistici e le catene atomiche magnetiche che sfruttano le proprietà della superconduttività e dei superfluidi. Da allora le caratteristiche esotiche dei materiali quantistici sono state svelate e oggi si apre un mondo di possibilità a una tecnologia del futuro – o quasi del presente – che allora sembrava impossibile da realizzare. Come per esempio i bit quantistici: unità estremamente stabili che potrebbero portare alla costruzione dei computer quantistici e a tutta una serie di tecnologie che senza il loro contributo non sarebbero state immaginabili.

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