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Nobel per la Fisica 2016 agli strani mondi di Flatlandia

Il premio Nobel per la Fisica è andato a tre fisici britannici «per le loro scoperte teoriche sulle transizioni di fase topologiche e sulle fasi topologiche della materia».
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Racconta Edwin A. Abbott di Flatlandia, uno strano luogo a due sole dimensioni, dove alcune abitudini del nostro mondo in 3D diventano assurde e altri fenomeni, per noi strani, emergono. Il libro, pubblicato nel 1884 in Gran Bretagna, è diventato un classico della divulgazione matematica e ha fatto riflettere generazioni di studenti. Fuor di metafora letteraria, qualcosa di analogo deve essere successo all'inizio degli anni Settanta del Novecento, quando Michael Kosterlitz and David Thouless, due dei Nobel di quest'anno, hanno dimostrato che, nonostante quello che si pensasse all'epoca, in strati sottili di materia al limite della pura bidimensionalità, fenomeni di superconduttività e superfluidità erano possibili. Per questo motivo, assieme a F. Duncan M. Haldane, l'Accademia delle Scienze di Stoccolma ha deciso di assegnar loro il Premio Nobel per la Fisica 2016 per «per le loro scoperte teoriche sulle transizioni di fase topologiche e sulle fasi topologiche della materia». La fisica di queste flatlandie è molto diversa da quella che possiamo vedere attorno noi: anche se la materia che costituisce uno di questi sottilissimi strati è in realtà un insieme di milioni di atomi (il comportamento di ognuno dei quali può essere spiegato con la fisica quantistica), essi presentano proprietà completamente, come quelle che vengono descritte usando la parola 'super'. Nel caso della superconduttività, si fa riferimento a una proprietà dei materiali che presentano resistenza nulla al passaggio di corrente elettrica, mentre per superfluidità si intende uno stato della materia che non presenta viscosità (per cui, per esempio, un vortice può continuare indefinitamente a ruotare).  

Non tutte le ciambelle escono con il buco...

Questo tipo di fenomeni avviene in condizioni particolari, come temperature vicine allo zero assoluto, e si presentano non in una forma continua, ma in maniera discreta. È qui che entra in gioco la topologia, una branca della matematica, che studia le proprietà delle figure e delle forme che non cambiano quando viene effettuata una deformazione senza "strappi", "sovrapposizioni" o "incollature". Per esempio, non possiamo avere una ciambella con mezzo buco, ma solo con un buco intero; non possiamo avere un recipiente con mezzo manico, ma solo con uno (una tazza), due e così via. I tre fisici premiati quest'anno hanno scoperto che nel campo della fisica della materia condensata esistono proprietà che presentano queste caratteristiche topologiche. L'esempio che è stato usato per la presentazione è quello illustrato dalla seguente immagine, in cui a temperature più basse, lo strato di materia presenta vortici a coppie: con una temperatura più alta le coppie di vortici si separano e abbiamo "vortici individuali", ma non è mai data la possibilità di avere frazioni di vortici.
Immagine: Nobel Prize Foundation

Verso il futuro dell'informatica?

Sulla base dei lavori teorici di Michael KosterlitzDavid ThoulessF. Duncan M. Haldane, oggi conosciamo molte fasi topologiche, non solo negli strati sottili di materia, ma anche negli ordinari materiali tridimensionali. Nel corso degli ultimi decenni, l'intero settore di ricerca ha sperimentato un vero e proprio boom, nella speranza di trovare una nuova generazione di superconduttori e di compiere passi avanti verso i futuri computer quantistici.
La topologia è il settore della matematica che si occupa delle proprietà che cambiano in modo discreto, come il numero di buchi negli oggetti qui rappresentati (Immagine: Nobel Prize Foundation)
Per approfondire, sul sito della Nobel Prize Foundation sono presenti materiali divulgativi scaricabili liberamente (in inglese).
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