Il premio Nobel per la fisica 2016 è stato assegnato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz per le loro ricerche sui cosiddetti “stati esotici della materia”. Un argomento squisitamente teorico e molto complicato, che coinvolge il bizzarro mondo della meccanica quantistica e i cosiddetti stati esotici della materia.

“I Nobel di quest’anno”, dichiara l’Accademia Svedese delle scienze, “hanno aperto la porta per un mondo sconosciuto, dove la materia può presentarsi in stati molto strani”. Le scoperte che hanno fruttato il Nobel a Thouless, Haldane e Kosterlitz risalgono agli anni ’80 e riguardano la descrizione teorica di fenomeni e meccanismi estremamente bizzarri e controintuitivi, come i cosiddetti superconduttori, superfluidi e le pellicole magnetiche ultrasottili, che ha aperto la strada ad applicazioni pratiche nell’ambito della scienza dei materiali e dell’elettronica.

I tre scienziati – con le rispettive équipe – si sono occupati, in particolare, della topologia delle transizioni di fase: con il termine topologia si intende la branca della matematica che descrive le proprietà di figure e forme quando queste sono sottoposte a deformazioni continue, ovvero cambiamenti senza tagli, strappi o incollature

Come aveva già intuito, in epoca non sospetta, Edwin Abbott, il geniale autore di Flatlandia, i fenomeni che avvengono in scenari bi- o monodimensionali sono molto diversi da quelli che osserviamo nella realtà tridimensionale. In particolare a livello microscopico: anche se il comportamento dei singoli atomi può essere spiegato con le leggi della meccanica quantistica, questi si comportano in modo totalmente differente quando costretti a convivere insieme su superfici bidimensionali, e ancor di più quando la temperatura scende molto vicina allo zero assoluto (-273,15° C). Al diminuire della temperatura, la materia si organizza in stati molto diversi, passando dal cosiddetto plasma allo stato gassoso, a quello liquido, a quello solido e infine, nelle vicinanze dello zero assoluto, al cosiddetto condensato quantistico, uno stato in cui le leggi quantistiche iniziano a valere anche a livello macroscopico.

Thouless e Kosterlitz, all’inizio degli anni ’70, hanno per l’appunto studiato l’ordine con cui si organizza la materia vicino allo zero assoluto in strati di materia molto sottile. Usando gli strumenti della topologia, hanno caratterizzato matematicamente le transizioni di fase su tali superfici, scoprendo che queste sono completamente diverse da quelle tradizionali (per esempio la transizione acqua liquida-ghiaccio) e che sono innescate da microscopici vortici che si formano a coppie molto vicine e che, al salire della temperatura, tendono ad allontanarsi l’uno dall’altro. Si tratta della cosiddetta transizione Bkt (Berezinskii-Kosterlitz-Thouless), modello teorico considerato una pietra miliare nel campo della materia condensata.