Il premio Nobel per la fisica è andato quest’anno a tre scienziati britannici, gli scozzesi David Thouless e Michael Kosterlitz e l’inglese Duncan Haldane, per i loro studi teorici sulle transizioni di fase in “materiali esotici”. In particolare, per gli stati di superconduttività, superfluidità o film magnetici sottili, i tre scienziati hanno sviluppato modelli descrittivi per sistemi bidimensionali e unidimensionali in questi stati di aggregazione della materia che si comportano in modo così diverso da quello a cui siamo abituati.

I singoli atomi che compongono questi materiali sono ben descritti dalla meccanica quantistica già nota da decenni, ma quando ne consideriamo un insieme macroscopico intervengono fenomeni collettivi molto difficili da prevedere e modellizzare. In particolare, i sistemi bidimensionali, costruiti in laboratorio come film molto sottili, sono una continua fucina di fenomeni nuovi e inattesi. I tre scienziati premiati quest’anno hanno introdotto molti concetti della topologia allo studio di questa “flatlandia”, aprendo, come si legge nel comunicato dell’Accademia Svedese, una nuova strada nella descrizione di intere classi di fenomeni.

La topologia è una branca della matematica che descrive gli oggetti geometrici in base a proprietà che non variano deformando gli oggetti stessi “con continuità”. Questo vuol dire, per esempio, non creando buchi o tagli, ma soltanto allungando, stirando, piegando l’oggetto stesso. Dal punto di vista topologico, per esempio, una ciambella e una tazza (col manico) sono equivalenti, mentre una ciambella e un pretzel non lo sono. I primi due oggetti hanno un solo “buco”, il pretzel ne ha tre.

Un panino, un pretzel e una ciambella, tre esempi di oggetti topologici diversi a causa del diverso numero di "buchi" che presentano (immagine di imaginasty by shutterstock)

Un panino, un pretzel e una ciambella, tre esempi di oggetti topologici diversi a causa del diverso numero di “buchi” che presentano (immagine di imaginasty by shutterstock)

L’idea dei tre fisici britannici è stata applicare concetti tipici della topologia alla fisica dei materiali condensati: in due dimensioni, per esempio, un vortice è un “difetto topologico” e diversi vortici che si accoppiano o si distruggono rappresentano uno strumento molto potente per descrivere certi comportamenti “a scalini” che vengono osservati sperimentalmente. Questo studio, in effetti, dura da decenni e il premio arriva dopo che alcune delle previsioni di questi tre fisici teorici sono già state confermate da esperimenti. L’idea di fondo è che qusto tipo di studio possa portare applicazioni anche al di fuori dei laboratori: nella superconduttività questo sta già succedendo, quindi anche se tutti questi termini sono un po’ incomprensibili ai non addetti ai lavori, è probabile che ne sentiremo parlare nei prossimi anni con parole diverse e molto più vicine alla nostra vita quotidiana.

 


Per approfondire, qui c’è la spiegazione “tecnica” del comitato Nobel.

Immagine di copertina dal sito del Comitato Nobel.