John Michael Kosterlitz, uno dei tre fisici premiati con il Nobel. Foto: Lehtikuva/Roni Rekomaa/via Reuters

Il 4 ottobre scorso è stato annunciato che il Premio Nobel per la Fisica 2016 verrà assegnato per metà a David James Thouless (University of Washington), mentre l’altra metà sarà divisa equamente tra Frederick Duncan Michael Haldane (Princeton University) e John Michael Kosterlitz (Brown University). Il Nobel verrà consegnato dal Re di Svezia a questi tre fisici per premiare, come si legge nella motivazione del Premio, “le loro scoperte teoriche riguardanti le transizioni di fase topologiche e le fasi topologiche della materia”. I termini in cui è espressa la motivazione possono risultare un po’ oscuri, per cui vale la pena soffermarci preliminarmente su questi. Il primo termine è “transizioni di fase”. Le transizioni di fase comuni, che tutti conosciamo, sono quelle che riguardano le transizioni dallo stato solido a quello liquido e a quello gassoso. Tuttavia ormai da tempo sono ben note anche altre transizioni di fase, legate come quelle comuni a una opportuna temperatura critica, Tc. L’altro termine è “topologia”, un settore della matematica nato verso la metà del XIX secolo, che studia le proprietà delle figure geometriche che non variano se le figure vengono deformate con continuità (cioè senza introdurre rotture). Per esempio, una sfera è topologicamente equivalente a un bicchiere, una tazza con un manico è topologicamente equivalente a un toro, ma non a una sfera. Le applicazioni della topologia alla spiegazione di fenomeni fisici sono iniziate già nella seconda metà del XIX secolo e sono diventate sempre più significative negli sviluppi della fisica del XX secolo.

Nel 1973 Kosterlitz e Thouless, generalizzando precedenti risultati ottenuti dallo scienziato sovietico Vadim L'vovic Berezinskii (1935-1980), suggerirono che i fluidi in movimento su un piano (configurazione quasi bidimensionale) possono diventare superfluidi al di sotto di una temperatura critica Tc, generalmente molto bassa e vicina allo zero assoluto (-273,15 gradi centigradi). Fino ad allora si riteneva che la superfluidità, cioè il moto di un fluido privo di carica elettrica (neutro) senza apparente viscosità, e anche la superconduttività, cioè il moto di un fluido dotato di carica elettrica senza apparente resistenza elettrica, non potessero manifestarsi in fluidi bidimensionali. I risultati teorici di Kosterlitz e Thouless mostrarono invece che la superfluidità e la superconduttività sono possibili anche in sistemi bidimensionali e che la temperatura critica Tc dipende dalla formazione all'interno del fluido di un numero crescente di buchi rotanti, detti vortici quantizzati o vortici topologici (visualizzabili ognuno come un manico di una tazza). In effetti, la presenza di queste strutture topologiche (vortici quantizzati) in materiali tridimensionali superconduttivi era stata predetta molti anni prima (1952) da Alexei Alexeyevich Abrikosov (premio Nobel per la Fisica nel 2003). La transizione di fase superfluida ipotizzata da Kosterlitz e Thouless, oggi nota come transizione di Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, è stata confermata sperimentalmente studiando vari materiali quasi bidimensionali a basse temperature: film di elio 4 – cioè elio con il nucleo formato da due protoni e due neutroni, il più comune in natura – liquido – cioè a bassissima temperatura; materiali superconduttori; gas atomici diluiti e ultrafreddi.

Nel 2011 Haldane, proseguendo lo studio teorico delle strutture topologiche nei sistemi bidimensionali iniziato da Kosterlitz e Thouless, ha spiegato in modo originale un fenomeno sconcertante osservato in molti materiali conduttori sottoposti all'azione di un campo magnetico esterno: il cosiddetto effetto Hall quantistico frazionario, dove la conducibilità elettrica risulta essere un multiplo semi intero (frazionario) di una costante universale, legata alla costante h di Planck e alla unità elementare di carica elettrica e (quella per esempio dell’elettrone o del protone a meno del segno, negativo per l’elettrone e positivo per il protone). Precedentemente, Haldane aveva anche spiegato le proprietà di materiali particolari, detti isolanti topologici, i quali internamente si comportano come un isolante elettrico mentre sulla superficie manifestano superconduttività. In tutti questi studi conta in modo particolare l’applicazione di proprietà topologiche a materiali che si strutturano approssimativamente come film sottili (bidimensionali) o come fili (unidimensionali).

È importante sottolineare che anche all'università di Padova si studiano la superfluidità e la superconduttività dal punto di vista topologico. Ad esempio, al dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei" è attivo un gruppo teorico che analizza varie proprietà di questi stupefacenti super-materiali, e in particolare la transizione di Berezinskii-Kosterlitz-Thouless nei gas atomici ultrafreddi e nel grafene. Una completa comprensione dei superfluidi e dei superconduttori è cruciale nell’ambito di importanti sviluppi tecnologici presenti e futuri. Al riguardo, va ricordato che l'intenso campo magnetico necessario per la Risonanza Magnetica negli ospedali è prodotto da cavi superconduttori, i quali trasportano corrente elettrica senza resistenza e quindi senza il calore che fonderebbe i cavi stessi.

Ancora una volta, come avvenuto di frequente negli ultimi decenni, il Premio Nobel sottolinea l’importanza non solo degli studi nell’ambito della fisica delle particelle e delle interazioni fondamentali, ma anche nella fisica della materia.

Luca Salasnich