Il Premio Nobel 2016 per la Fisica è stato assegnato a tre scienziati britannici: il professor David Thouless dell’Università di Washington, il professor Duncan Haldane di Princeton, e il professor Michael Kosterlitz della Brown. Il trio ha usato avanzate tecniche matematiche per studiare fasi e stati insoliti della materia.
Quando la materia è sottoposta a temperature estreme, può assumere uno dei cosiddetti “stati esotici”, come i superconduttori, i superfluidi e le pellicole magnetiche; tali stati possono avere una miriade di usi pratici.
I materiali superconduttori, per esempio, possono aiutare a creare velocissimi circuiti elettronici. I superfluidi sono invece impiegati nella spettroscopia, lo studio su come la luce si suddivide nei suoi colori costituenti, e sottili pellicole magnetiche possono aiutare ad aumentare lo spazio d’archiviazione dati dei computer.
Tutto ciò rientra nelle competenze di un campo chiamato topologia.
La topologia è una branca della matematica che descrive le proprietà di forme che cambiano solo a seconda di come sono disposte nello spazio, non nella loro forma o nelle loro dimensioni. Per esempio, si possono prendere in considerazione un rotolo di carta igienica e una ciambella – hanno la stessa topologia, in quanto entrambi gli oggetti hanno un solo buco, nonostante possano avere dimensioni e forme diverse.
La topologia consente anche cambiamenti costanti nel tempo, come quelli derivati dal piegare o dall’allungare un oggetto, a patto che tale oggetto sia poi riportato allo stato di partenza. Se si avesse un pezzo d’impasto dalla forma circolare, ad esempio, si potrebbe renderlo di forma quadrata o triangolare manipolandolo, ma lo stato topologico del pezzo d’impasto non cambierebbe.
Molti materiali quotidiani possono essere analizzati topologicamente, e ora anche quelli “esotici” possono esserlo.
Materiali comuni negli stati solido, gassoso e liquido possono essere studiati topologicamente; il team ha scoperto che a basse temperature, alcuni stati della materia insoliti ed esotici possono diventare visibili, e quindi essere descritti in tale maniera.
A queste basse temperature, la materia si comporta in maniera poco usuale; gli effetti quantici, come la superfluidità, diventano visibili. In altre parole, la resistenza incontrata da tutte le particelle dotate di movimento improvvisamente scompare quando è abbastanza freddo.
I cambi di stato occorrono tutti i giorni: ad esempio, quando l’acqua si solidifica e diventa ghiaccio o, evaporando, diventa gas. Un cambio di stato topologico, invece, può essere spiegato osservando un paio di vortici, “buchi” in un superfluido, strettamente collegati. Quando la temperatura aumenta, i vortici improvvisamente si allontanano.
Questa teoria è stata utilizzata in diverse aree della fisica, come la fisica atomica e la meccanica statistica.
Negli ultimi dieci anni, la ricerca della topologia ha rivelato svariati segreti sul comportamento della materia, e potrebbe essere utile alla ricerca in campi quali la scienza dei materiali, l’elettronica e i computer quantistici.