La materia metamorfica vince il Nobel

La materia ha molte fasi. E molte forme. Quando la temperatura si abbassa, l’acqua che si trasforma in ghiaccio cambia forma, e dà vita ad una transizione di fase. In alcuni materiali, raggiunta una certa, bassa, temperatura, la corrente elettrica può passare senza trovare resistenza: il materiale ha subito una transizione di fase, e viene detto superconduttore. Due dei tre scienziati che ieri hanno ricevuto il Nobel per la fisica, J. Michael Kosterlitz e David J. Thouless, hanno dimostrato che anche nel mondo a due dimensioni, il mondo dei materiali sottilissimi, le transizioni di fase esistono. Solo, sono topologiche: riguardano proprietà che rimangono costanti anche quando il materiale viene allungato, girato, deformato ma non lacerato.

Prendiamo una ciambella e una tazza di caffé col manico: per la topologia, sono equivalenti, perché l’una può essere trasformata nell’altra con deformazioni continue, cioè senza strappi, sovrapposizioni o incollature.

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L’intuizione dei tre scienziati che hanno vinto il Nobel, in particolare di Thouless, che ha ricevuto metà dell’assegno staccato dall’Accademia Reale Svedese delle Scienze, è stata di utilizzare la topologia per spiegare le transizioni di fase nei materiali bidimensionali, in cui cioè l’altezza è trascurabile. La transizione di fase topologica Koesterlitz-Thouless, ipotizzata e sperimentata negli anni ’70, ha descritto il materiale come composto da piccoli vortici: quando la temperatura si abbassa, i vortici si legano a due a due, quando la temperatura si alza, si slegano. Anche nei materiali sottilissimi avviene quindi una transizione di fase: una transizione vorticosa e disordinata, diversa dall’acqua che diventa ghiaccio, ma esistente.

transizione-di-fase

Credits: The Royal Swedish Academy of Science

 

In fisica, quando la temperatura si abbassa, molti materiali si magnetizzano: tutti gli elettroni puntano nella stessa direzione e creano un campo magnetico. Ma la teoria tradizionale, negli anni ’80, non riusciva a spiegare un effetto, chiamato effetto Hall quantistico: perché la conduttività, quindi il passaggio di corrente elettrica, in alcuni materiali non varia in proporzione al campo magnetico o alla temperatura, ma salta per valori ben definiti e calcolabili? Thouless si è dedicato al rompicapo, così come, per via indipendente, Duncan Heldane, il terzo professore premiato, della Duncan University.

Thouless utilizzò di nuovo la topologia: anziché usare solo i quanti, i pacchetti energetici definiti di ogni elettrone dell’atomo, perché non guardare allo spazio tra un semiconduttore e l’altro come uno spazio topologico, in cui più che la distanza tra i punti contano i cambiamenti di forma? La topologia descrive i mutamenti per step: ogni cambiamento, un passaggio.Una descrizione in realtà compatibile, anche matematicamente, con quella trovata da Heldane: il salto del valore di conduttività può essere visto sia come un salto energetico dell’elettrone che una deformazione topologica dello spazio. A ogni deformazione, si crea una discontinuità, la figura non è più equivalente (se si formano nuovi buchi, come illustrato nelle figure, c’è una rottura).

topologia-conduttività

A basse temperature, prossime allo zero assoluto (–273,15 °C), con campi magnetici forti, gli elettroni che si muovono tra un semiconduttore e l’altro formano quindi un fluido, chiamato, grazie alle ricerche dei due scienziati,  fluido quantistico topologico che, scoprì Heldane, può favorire la superconduzione anche senza campo magnetico. Diventa cioè un superfluido.

Le applicazioni possibili della superconduzione vanno dal computer quantistico ai cavi per l’energia elettrica al motore turboalternatore; quelle dei superfluidi, dalla risonanza magnetica ai frigoriferi.  A bassissime temperature, la materia ha molte fasi e molte forme. Stiamo cominciando a scoprire quali.

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