Sapere Scienza

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Premio Nobel in fisica a Thouless, Haldane e Kosterlitz per le transizioni di fase "quantistiche"

4 Ottobre 2016

Il Nobel in Fisica 2016 è stato assegnato a un trio di scienziati britannici che lavorano da anni negli Stati Uniti: David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz per i loro studi sulle transizioni di fase nei materiali esotici. Come si legge nella motivazione dell'Accademia Svedese delle Scienze, i tre scienziati sono stati premiati per le "scoperte teoriche sulle transizioni topologiche di fase e delle fasi topologiche della materia", in particolare superconduttori, superfluidi e film magnetici.

 
Cos'è una transizione di fase?

Le transizioni di fase riguardando i cambiamenti di stato della materia. Per esempio, quando l'acqua viene portata al di sotto di una certa temperatura, passa dallo stato liquido a quello solido, cambiando dunque radicalmente le sue proprietà. Thouless, Haldane e Kosterlitz hanno dimostrato che i materiali vanno incontro, in modo analogo, anche a brusche transizioni nelle loro proprietà elettriche, come avviene per esempio nei superconduttori, che manifestano un calo improvviso della resistenza elettrica quando portati al di sotto di una certa temperatura.

 

Il supporto della topologia

I lavori che sono valsi il Nobel ai tre rientrano nel mondo della fisica della materia condensata e gli scienziati sono riusciti a combinare in modo efficace fisica e matematica, sfruttando concetti topologici per spiegare fenomeni fisici. La topologia è un settore della matematica in cui le trasformazioni continue mutano oggetti in oggetti equivalenti, che rientrano cioè nella stessa categoria.

I lavori di Thouless, Haldane e Kosterlitz hanno aiutato a spiegare il sopraggiungere di stati particolari come quello della superconduttività o quello in cui si trovano i materiali superfluidi (che hanno viscosità nulla, in determinate condizioni). All'inizio degli anni Settanta, Michael Kosterlitz e David Thouless hanno provato che cambiamenti di fase di questo genere avvenivano anche in condizioni di "bidimensionalità", ovvero con materiali ridotti a superfici sottilissime, contrariamente a quanto si pensasse all'epoca. Nel 1980, Thouless è stato in grado di dimostrare perché, negli strati sottili di materiale, la conduttività elettrica cambia con un passo che segue numeri interi (che hanno una natura topologica). Quasi contemporaneamente, Duncan Haldane ha scoperto come usare concetti topologici per comprendere le proprietà delle catene di piccoli magneti che si trovano in alcuni particolari materiali.

 

Il computer quantistico

Gli studi dei tre scienziati sono fondamentali per ottenere materiali che possano essere utilizzati, per esempio, nei computer quantistici del futuro. Su questo Premio Nobel, si è espresso anche il presidente del Consiglio Nazionale delle Ricerche, Massimo Inguscio, che ha dichiarato: "Questi nuovi materiali quantistici ‘esotici’ proteggono dai disturbi dovuti a rumore, impurità e disordine. In tal modo vengono preservate quelle caratteristiche che aprono prospettive reali nello sviluppo di mattoni fondamentali per le tecnologie del futuro, ad esempio di bit quantistici estremamente stabili che potrebbero avvicinare la realizzazione di calcolatori rivoluzionari. Il CNR, in sinergia con il mondo universitario, lavora in questi campi di frontiera sia con nuovi materiali allo stato solido che con simulatori con atomi ultrafreddi. Ed è tanto impegnato in questo sforzo verso il futuro da coordinare la road map italiana nella importante flagship lanciata dall’Europa proprio sul tema delle tecnologie quantistiche”.

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