Carmine Granata, ricercatore dell’ Istituto di scienze applicate e sistemi intelligenti del Consiglio nazionale delle ricerche (Isasi-Cnr), in merito ai tre scienziati insigniti del premio Nobel per la fisica, spiega in cosa consistono le loro scoperte e l’impatto che possiedono da un punto di vista applicativo
Poche ore fa, la Reale accademia reale svedese delle scienze ha assegnato il premio Nobel per la Fisica a David Thouless, Duncan Haldane e Michaekìl Kosterlitz per le loro ricerche sulle fasi topologiche della materia e le relative transizioni che hanno permesso di individuare nuovi stati della materia. In questo breve articolo cerchiamo di capire in cosa consistono le scoperte fatte dai tre scienziati nonché il relativo impatto da un punto di vista applicativo.
Quando si parla di fisica quantistica si è portati istintivamente a pensare a sistemi microscopici quali singoli atomi e particelle subnucleari. In realtà la fisica quantistica si manifesta anche nel mondo macroscopico fatto di oggetti che si possono vedere e toccare. Questo avviene in particolari sistemi macroscopici a stato solido in cui, in determinate situazioni, si realizza una coerenza collettiva tra tutti i costituenti elementari (elettroni e atomi) di cui è costituito il sistema o materiale, e ciò da luogo alla manifestazione di straordinari effetti quantistici.
La superconduttività (l’assenza di resistenza elettrica e il diamagnetismo perfetto) ad esempio è una delle manifestazioni più eclatanti della meccanica quantistica a livello macroscopico. Alla base di questi fenomeni ci sono le transizioni di fasi legati ad una grandezza fisica macroscopica al di sotto o al di sopra della quale si manifesta il fenomeno. Semplici esempi di transizione sono quella da ghiaccio ad acqua, da ferromagnetismo a paramagnetismo.
Esistono tuttavia transizioni meno conosciute e scoperte solo in tempi recenti come quelle di cui si sono occupati i tre premi Nobel. Si tratta di transizioni in materiali molto sottili (bidimensionali) che al di sotto di una certa temperatura sono caratterizzati dalla presenza di coppie di vortici fortemente legati che determinano un comportamento complessivo del materiale spiccatamente quantistico. Si tratta tuttavia di transizioni non semplici come quelle ghiaccio-acqua, la cui spiegazione ha richiesto l’utilizzo di sofisticati modelli matematici basati sulla topologia (branca della matematica che studia le proprietĂ degli oggetti che non cambiano quando questi vengono deformati senza strappi). Sviluppate agli inizi degli anni 80, le teorie delle transizione topologiche hanno permesso di spiegare importanti fenomeni macroscopici quantistici quali l’effetto Hall quantistico ossia la quantizzazione della conduttivitĂ di un materiale al variare del campo magnetico applicato. Fenomeno quest’ultimo scoperto nel 1980 da Klaus von Klitzing e insignito del premio Nobel nel 1985. Ben presto i tre scienziati si sono resi conto che le transizioni topologiche consentivano di prevedere e studiare strutture di grande interesse teorico e sperimentale come le catene di atomi magnetici e i piĂą recenti isolanti, semiconduttori e superconduttori topologici che rappresentano un nuovo stato della materia nonchĂ© una nuova frontiera della fisica dello materia. Particolarmente interessanti sono gli isolanti topologici quali i ‘Quantum State Hall systems – QSH’ che sono isolanti al loro interno e nello stesso tempo conducono in superficie in quanto dotati di stati superficiali caratterizzati dalla propagazione di spin polarizzati. Questi materiali oltre ad avere un ruolo importante e forse fondamentale per lo sviluppo di bit quantistici elementari possono essere impiegati come strumento per indagare elusive particelle elementari quali assioni (forse responsabili della materia oscura ) o i fermioni di Majorana.
L’istituto di scienze applicate e sistemi intelligenti del Cnr, contribuisce a questo affascinante settore di ricerca realizzando micro e nano sensori quantistici superconduttori (SQUIDs) (Physics Report, 614, 1-69 2016) dall’ineguagliabile sensibilità per studiare da un punto di vista sperimentale le proprietà magnetiche di questi nuovi materiali oltre che costituire il cuore di sistemi biomedicali all’avanguardia nelle neuroscienze come la Magnetoencefalografia (Meg) operante presso la sede di Napoli di Isasi-Cnr.
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