Nobel per la Fisica 2016: la teoria si capisce in pasticceria

Nobel per la Fisica 2016: la teoria si capisce in pasticceria

A oggetti di diverse dimensioni, si applicano leggi della fisica diverse. Ad una palla da biliardo quelle della meccanica newtoniana, ad un elettrone quelle della fisica quantistica.

Ma non c'è una separazione netta fra i due mondi. Piccole variazioni quantiche si manifestano anche in contesti di grosse dimensioni. A dimostrarlo è il lavoro di David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz, tre ricercatori britannici che lavorano negli Stati Uniti, ai quali è stato conferito il premio Nobel per la Fisica per il 2016.

Negli anni 70 Thouless e Kosterlitz si sono occupati delle transizioni di fase sulle superfici.

Le transizioni che noi conosciamo sono quelle classiche, con il passaggio dallo stato solido a quello liquido, per finire a quello gassoso e viceversa.

Quelle studiate da Thouless e Kosterlitz sono di natura diversa. Si tratta di variazioni del momento angolare delle particelle (spin), conosciute anche come transizioni di Kosterlitz-Thouless. Il merito di entrambi i ricercatori è stato quello di trovare una nuova teoria per queste transizioni di fase, come è stato spiegato nelle motivazioni per l'assegnazione dell'ambito riconoscimento.

Nobel per la Fisica 2016: la teoria si capisce in pasticceria

Negli anni 80 furono Thouless e Haldane a sorprendere la comunità scientifica con una nuova teoria riguardante il cosiddetto effetto Hall quantistico, scoperto nel 1980 dal fisico tedesco Klaus von Klitzing, che proprio per questo fu insignito del premio Nobel per la Fisica nel 1985.

Klitzing esaminò strati sottili fra due semiconduttori all'interno di campi magnetici sempre più forti. Rilevò che la resistenza elettrica non aumentava in modo continuo, ma in modo discreto, un fenomeno che fino ad allora si riteneva di esclusiva pertinenza della fisica quantistica (quantum leap). I semiconduttori esaminati erano troppo grossi per giustificarlo. Addirittura la quantizzazione osservata aumentava, con l'aumentare delle dimensioni del sistema.

Per spiegare questo fenomeno, Thouless e Haldane hanno utilizzato la topologia, una branca della matematica che si occupa di quelle proprietà degli oggetti che non cambiano a seguito di una loro deformazione.

Ad esempio, per la topologia un bombolone ed una tazza con il manico sono uguali: hanno entrambe un buco. Per spiegarlo Thors Hans Hansson del comitato per l'assegnazione dei Nobel si è servito di una brioche, di un bagel e di un pretzel, tre oggetti topologicamente diversi, proprio per il numero di buchi: zero, uno, due.

Naturalmente, questi oggetti possono avere solo un numero intero di buchi, un'osservazione che si è rivelata importante per Thouless e Haldane nello sviluppo della loro teoria, impiegata nella fisica dei corpi solidi per studiare le proprietà dei nuovi materiali, definiti appunto materiali topologici.

Si tratta di materiali che hanno proprietà che gli altri materiali non hanno, come, ad esempio, il fatto che la direzione del movimento degli elettroni è una funzione del loro momento angolare. Anche se attualmente non c'è nessun impiego pratico, gli scienziati ritengono che questo tipo di materiali possa consentire una nuova forma di elettronica.

Infatti, il lavoro dei tre ricercatori potrebbe rivelarsi fondamentale nello sviluppo dei computer quantistici, con l'utilizzo di superconduttori topologici, che hanno un funzionamento diverso rispetto a quelli convenzionali.

Gli 830.000 euro (otto milioni di corone svedesi) del premio andranno per metà a Thouless e l'altra metà se la divideranno Haldane e Kosterlitz.

Federico Mattei
nella categoria Scienza e Tecnologia
Attendere...