Topologia e superconduttori: in cosa consiste il nuovo Premio Nobel per la Fisica

Stamattina è stato assegnato il premio Nobel per la Fisica 2016 a David Thouless, Duncan Haldane, e Michael Kosterlitz per i loro studi "sulle transizioni di fase topologiche e sulle fasi topologiche della materia". E' evidente che quest'anno a vincere il tanto agognato premio è uno studio estremamente complesso, di quelli che è difficile comprendere appieno per un non-esperto del settore. Proviamo tuttavia a spiegare, per quanto possibile, in cosa consiste il lavoro, partendo dagli elementi teorici necessari per affrontare la questione.

Passaggi di stato e "supersolidi"

I tre ricercatori hanno spiegato i fenomeni a cui è soggetta la materia durante le "transizioni di fase" (meglio note come "passaggi di stato"). Tutti sappiamo, fin dai primi anni di scuola, che le sostanze possono assumere vari stati (gassoso, liquido, solido) al variare delle condizioni di temperatura e pressione. I nuovi premi Nobel hanno studiato come la materia possa trasformarsi in altri stati, esotici e complessi, a condizioni estreme nelle quali le caratteristiche classiche lasciano spazio a quelle quantistiche. A temperature molto basse, ad esempio, la resistenza dovuta al movimento delle particelle si riduce quasi fino a scomparire, permettendo alla materia di raggiungere uno stato particolare, che trasforma un materiale in "superconduttore", cioè un materiale in grado di far passare la corrente senza creare resistenza né dispersione di energia.

Topologia: la matematica dei buchi

Uno degli strumenti teorici utilizzati dal gruppo di ricerca è la topologia. La topologia è quella branca della matematica che studia gli oggetti dal punto di vista della forma, senza badare a dimensioni o misure, ma esclusivamente in base alla possibilità di deformare una figura in un'altra, senza strappi o incollamenti. Durante la conferenza di assegnazione del Nobel, il Comitato ha provato a spiegare, con un esempio classico della didattica, il concetto di topologia, usando una ciambella, un pretzel e un panino: avendo ognuno di questi oggetti un numero diverso di buchi (uno per la ciambella, tre per il pretzel, zero per il panino), questi oggetti, topologicamente parlando, sono diversi, perché non è possibile ricondurre un oggetto in un altro senza tagli. Tuttavia, una tazza dotata di manico è topologicamente equivalente ad una ciambella, perchè supponendo di avere una tazza malleabile, si può trasformare in modo continuo in una ciambella.

L'idea dei ricercatori, dunque, è stata studiare con strumenti topologici le transizioni di fase a condizioni estreme di certi materiali. «L'ingenuità di Kosterlitz Thouless e Haldane» ha dichiarato il fisico Steve Bramwell «è stata quella di dimostrare come materiali – in particolare film e catene di atomi – possono essere essere compresi con i semplici principi matematici della topologia. In particolare come i gli atomi sono tra loro connessi». Le applicazioni di questo studio potrebbero consentire la realizzazione di nuovi materiali superconduttori capaci di trasportare informazioni in modo più efficiente, o aiutare nella messa a punto di computer quantistici.
Ogni premio Nobel ha una borsa di 8 milioni di corone, circa 830mila euro. I tre scienziati riceveranno il premio durante la cerimonia del 10 dicembre a Stoccolma.