Pochi esploratori si sono addentrati in mondi più strani dei tre più recenti premi Nobel, che hanno appena vinto il premio Nobel per la fisica di quest'anno. Questi eminenti fisici sono stati onorati per il loro lavoro su alcuni degli stati più esotici della materia, dando un senso ai suoi misteri fondamentali e aprendo le porte all'odierna era di esplorazione e sviluppo di nuovi materiali come metalli topologici, isolanti e superconduttori.
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La Royal Swedish Academy of Sciences ha assegnato il premio congiuntamente con metà a David J. Thouless, dell'Università di Washington, e l'altra metà a F. Duncan M. Haldane, dell'Università di Princeton e J. Michael Kosterlitz della Brown University “ per scoperte teoriche di transizioni di fase topologiche e fasi topologiche della materia. ”Se ti sembra astratto, non sei solo: i risultati dei vincitori sono stati così esoterici che un membro del comitato ha cercato di dimostrarli usando una serie di pane per la colazione.
Thouless, Haldane e Kosterlitz lavorano in una parte surreale del mondo fisico che potrebbe essere descritta come "la pianura". Questo mondo si trova sulle superfici della materia o su strati così sottili da essere essenzialmente bidimensionali; in effetti, alcune delle opere di Haldane si concentrano su fili così sottili da essere sostanzialmente unidimensionali. Qui, la materia assume alcune delle sue forme più strane.
Durante gli anni '70 e '80, gli scienziati hanno rivelato i segreti delle strane forme trovate in questo regno, tra cui superconduttori, superfluidi e film magnetico sottile. Questa mattina, il fisico dell'Università di Stoccolma Thors Hans Hansson, membro del Comitato Nobel per la Fisica, ha spiegato l'elegante concetto matematico che hanno usato per le scoperte premiate usando un panino alla cannella, un bagel e un pretzel.
La topologia è un sistema di matematica che si concentra su proprietà che cambiano solo con incrementi ben definiti. Nell'esempio del cibo per la colazione di Hansson, l'importante è che il panino non abbia buchi, il bagel abbia un buco e il pretzel abbia due buchi. "Il numero di buchi è ciò che il topologo chiamerebbe un invariante topologico", ha spiegato Hansson alla conferenza stampa. “Non puoi avere mezzo buco o due e due terzi di un buco. Un invariante topologico può avere solo numeri interi. "
Si scopre che molti aspetti della materia esotica aderiscono anche a questo concetto a un buco e due buche.
Nel 1982, Thouless usò questa idea per spiegare il misterioso effetto quantistico Hall della conduttanza elettrica. All'interno di uno strato sottile a temperature molto basse e un campo magnetico elevato, è stata trovata la conduttanza elettrica per costruire unità che potevano essere misurate con estrema precisione: prima niente, poi un'unità, quindi due unità. Thouless ha dimostrato che i passaggi di questo effetto possono essere spiegati da un invariante topologico. Ha funzionato per multipli di un numero intero, proprio come il numero immutabile di buchi nell'esempio del cibo per la colazione.
Nel 1988, Duncan Haldane ha spinto questa linea di ricerca verso una nuova frontiera, scoprendo che sottili strati di semiconduttori possono ospitare l'effetto Hall quantico anche senza un campo magnetico.
La ricerca dei vincitori ha anche rivelato nuove fasi della materia che possono essere viste a temperature vicine allo zero assoluto (-273 ° C). Nel 1983, Haldane scoprì una serie di atomi magnetici in una catena, il primo tipo di nuova materia topologica mai scoperta. Tale impresa ha lanciato una corsa in corso per scoprire nuove fasi topologiche della materia nascoste all'interno di strati, catene e normali materiali tridimensionali.
Queste scoperte oggi potrebbero essere considerate astratte o esotiche, ma un giorno potrebbero aprire la strada alla scoperta di materiali indispensabili e banali, afferma Hansson. "Ciò che è esotico per noi ora potrebbe non essere così esotico in 20 o 30 anni", ha detto alla giornalista Joanna Rose pochi istanti dopo l'annuncio. "L'elettricità era molto esotica quando è arrivata per la prima volta e non è più così esotica."
La topologia ha rinnovato la nostra comprensione tradizionale di come la materia cambia stati. Generalmente, si verifica un cambiamento di fase quando cambia la temperatura, cioè quando l'acqua si congela. Ma a temperature estremamente fredde, gli stati familiari della materia - gas, liquidi e solidi - lasciano il posto a nuove bizzarre fasi e comportamenti. Le correnti elettriche possono fluire senza resistenza, rendendo possibile il superconduttore. Nuove fasi materiali come i superfluidi (per i quali il russo Pyotr Kapitsa ha vinto il Premio Nobel per la fisica nel 1978) possono ruotare in vortici che non rallentano mai.
Durante gli anni '70, Thouless e Kosterlitz scoprirono un modo completamente nuovo in cui la materia può spostarsi da uno stato all'altro in questa strana area: una transizione topologica guidata da piccoli vortici, come piccoli tornado all'interno del materiale piatto. A basse temperature i vortici formano coppie, che poi si separano improvvisamente l'una dall'altra per roteare da sole quando la temperatura sale a un punto di transizione.
Questa transizione, soprannominata "transizione KT", è diventata uno strumento rivoluzionario che ha permesso agli scienziati di studiare la materia condensata, la fisica atomica e la meccanica statistica.
Telefonato dall'Accademia, Haldane si dichiarò sorpreso e gratificato dall'onore. "Questo lavoro è stato molto tempo fa, ma è solo ora che molte nuove straordinarie scoperte basate su questo lavoro originale ... stanno accadendo ora", ha detto. Hansson ha fatto eco a questi pensieri, rilevando che gli scienziati di tutto il mondo ora usano questi strumenti per lavorare verso applicazioni pratiche in elettronica, nuovi materiali e persino componenti in un nuovo computer quantistico.
Ma innanzitutto, ha sottolineato Hansson, il premio doveva onorare la scienza eccezionale. “Hanno combinato una splendida matematica e profonde intuizioni sulla fisica, ottenendo risultati inaspettati. Ecco a cosa serve il premio ", ha aggiunto. "È davvero bello ed è profondo."
