Il topologo prevede una nuova forma di materia

Nel 1970, un giovane fisico che lavorava in Unione Sovietica fece una previsione controintuitiva. Vitaly Efimov, ora all'Università di Washington negli Stati Uniti, ha mostrato che gli oggetti quantistici che non possono formare coppie potrebbero comunque formarsi in triplette.

Nel 2006, un gruppo in Austria ha trovato il primo esempio di un tale cosiddetto stato di Efimov in un gas freddo di atomi di cesio.

È sconcertante. Sicuramente i legami che tengono insieme le terzine sono gli stessi che legano le coppie. In realtà, no! Si scopre che c'è una sottile ma importante differenza che rende questi legami completamente diversi.

Oggi, Nils Baas dell'Università norvegese di scienza e tecnologia fa un'altra previsione sorprendente. Dice che gli strani legami ultraterreni che consentono agli atomi di cesio di aderire insieme in triplette dovrebbero consentire anche la formazione di oggetti molto più complessi. In effetti, dice che siamo sul punto di scoprire una nuova forma di materia governata da una branca della fisica completamente nuova.

Dietro questo strano risultato c'è una branca della matematica chiamata topologia, lo studio della forma. La topologia si occupa in particolare delle proprietà della forma che vengono conservate quando un oggetto viene schiacciato, allungato e preso a pugni, ma non strappato.

Un utile esempio da considerare è il famoso anello Borromeo mostrato in alto a sinistra. Consiste di tre cerchi intrecciati in modo tale che tagliandone uno liberi gli altri due.

Un punto chiave qui è che i cerchi in un piano bidimensionale piatto non possono formare un anello Borromeo. Ma introduciamo una terza dimensione e all'improvviso i cerchi possono essere collegati in questo modo. Naturalmente, qualsiasi flatlander che vive in questo piano 2D sarebbe completamente sconcertato da questa proprietà.

Si scopre che esiste un'analogia matematica formale tra l'anello borromeo e le strane triplette di cesio previste da Efimov. La matematica della meccanica quantistica e della topologia risultano essere le stesse.

Ma ecco il punto: i legami che emergono dalla topologia della meccanica quantistica sono del tutto ultraterreni. Mentre la materia ordinaria, la materia su cui ti batti le nocche, è chiaramente confinata a tre dimensioni, la matematica della meccanica quantistica esiste in un insieme di dimensioni completamente diverso. Ed è in questo spazio che si formano gli anelli borromei.

Il risultato è una sorta di fisica parallela, in cui le leggi che governano il comportamento in questo universo parallelo esercitano una presa inevitabile e spettrale sul nostro universo.

E non sono solo i legami tra gli atomi ad essere influenzati. I fisici stanno iniziando a costruire conduttori e isolanti in cui il movimento degli elettroni è governato dalla topologia della meccanica quantistica. I cosiddetti isolanti topologici sono un grande argomento nella fisica dello stato solido in questo momento.

E la topologia sta per estendere la sua influenza, se Baas ha la sua strada. Sottolinea che gli anelli borromei sono solo l'esempio più semplice di un'intera tavola periodica di strutture topologiche. E se è possibile fare stati di Efimov equivalenti agli anelli borromei, allora dovrebbe essere possibile fare anche gli altri.

Questa famiglia di cose sarà un nuovo stato della materia governato da nuove regole, una sorta di fisica di Efimov.

Come potrebbe comportarsi questa roba? Non è ancora chiaro, ma Baas solleva un'interessante possibilità. Il legame profondo e ultraterreno tra le particelle negli stati di Efimov è notevolmente simile all'entanglement quantistico.

Nessuno è abbastanza sicuro che siano identici, ma se lo sono, la fisica di Efimov fornirà un nuovo modo di pensare all'entanglement e a come generarlo e sfruttarlo. Ciò avrà importanti implicazioni per la crittografia, l'informatica e la scienza dell'informazione in generale.

Il fisico premio Nobel Murray Gell-Mann una volta ha affermato che: Tutto ciò che non è proibito è obbligatorio. Si riferiva al modo in cui le particelle interagiscono nella meccanica quantistica. In altre parole, se non c'è motivo per cui le particelle non possano interagire in un certo modo, allora devono interagire in quel modo.

Sembra che stiamo per vedere quanto sia stata profonda e di vasta portata questa affermazione.

Rif: arxiv.org/abs/1012.2698 : Nuovi stati della materia suggeriti da nuove strutture topologiche

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