La meccanica quantistica ci ha insegnato che gli elettroni non sono piccole sfere che si muovono in linea retta, ma entità che si comportano come onde, prive di una posizione precisa nello spazio. Eppure, per decenni, fisici e ingegneri hanno continuato a descriverli come particelle classiche dotate di velocità e traiettoria definite, un approccio che funziona sorprendentemente bene nella maggior parte dei materiali. Questa visione semplificata ha persino permesso di elaborare teorie sofisticate come quella degli stati topologici della materia, riconosciuta con il Premio Nobel per la Fisica nel 2016. Ora, però, un gruppo di ricercatori del TU Wien in Austria ha dimostrato che gli stati topologici possono esistere anche quando l'immagine della particella crolla completamente, aprendo una prospettiva completamente nuova sulla natura della materia quantistica.
Il concetto di topologia, mutuato dalla matematica, descrive proprietà geometriche che rimangono stabili anche sotto deformazioni continue. Un classico esempio è la differenza tra una ciambella e una mela: la prima ha un buco che non può essere eliminato senza tagliare l'oggetto, mentre la seconda può essere modellata continuamente a partire da una palla. In fisica dello stato solido, questa stabilità geometrica si traduce in caratteristiche elettroniche straordinariamente resistenti alle imperfezioni del materiale, un aspetto cruciale per tecnologie emergenti come il quantum computing, sensori ultra-precisi e dispositivi per il trasporto di corrente senza perdite. Fino ad oggi, si riteneva che queste proprietà topologiche dipendessero necessariamente da elettroni che si comportano come particelle con energia e velocità ben definite.
La professoressa Silke Bühler-Paschen e il suo team hanno messo in discussione questa convinzione studiando un composto di cerio, rutenio e stagno (CeRu₄Sn₆) in condizioni estreme, a temperature inferiori a un grado sopra lo zero assoluto. In questo regime, il materiale manifesta un comportamento quantistico critico: fluttua costantemente tra due stati diversi, come se non riuscisse a "decidere" quale configurazione adottare. In questa fase critica, la descrizione degli elettroni come particelle perde completamente significato, spiega Diana Kirschbaum, prima autrice dello studio pubblicato di recente. Paradossalmente, modelli teorici semplificati basati proprio sull'immagine particellare avevano previsto che questo materiale dovesse comunque presentare caratteristiche topologiche.
Inizialmente scettici di fronte a questa contraddizione teorica, i ricercatori viennesi hanno deciso di verificare sperimentalmente se il materiale mostrasse davvero segni di topologia. A temperature inferiori a un Kelvin, Kirschbaum ha osservato un segnale inequivocabile: un effetto Hall anomalo spontaneo, un fenomeno in cui i portatori di carica vengono deviati lateralmente come se fossero sottoposti a un campo magnetico esterno, ma senza che tale campo sia presente. Questa deviazione nasce direttamente dalle proprietà topologiche del materiale e, sorprendentemente, i portatori di carica si comportano apparentemente come particelle, nonostante tutte le evidenze teoriche indichino il contrario.
La scoperta diventa ancora più affascinante quando si osserva che l'effetto topologico è massimo esattamente dove le fluttuazioni quantistiche sono più intense. Quando queste oscillazioni vengono soppresse applicando pressione o campi magnetici, le proprietà topologiche scompaiono. Questo comportamento suggerisce che la topologia non solo può esistere senza una descrizione particellare degli elettroni, ma che potrebbe addirittura emergere proprio perché gli stati particellari sono assenti. Si tratta di una fase che i ricercatori hanno denominato semimetallo topologico emergente, un concetto che amplia radicalmente le definizioni tradizionali.
Per dare un fondamento teorico a questa osservazione sperimentale, il gruppo viennese ha collaborato con i fisici teorici della Rice University in Texas, guidati dal professor Qimiao Si. Lei Chen, co-primo autore della pubblicazione, ha sviluppato un modello matematico che collega la criticità quantistica con la topologia senza richiedere che gli elettroni si comportino come particelle classiche. Il modello dimostra che le distinzioni topologiche possono emergere in modo più astratto e generale, attraverso strutture matematiche che non dipendono dalla nozione convenzionale di traiettoria o velocità.
Questa rivelazione ha implicazioni pratiche immediate per la ricerca di nuovi materiali quantistici. I sistemi che mostrano comportamento quantistico critico sono relativamente comuni e possono essere identificati con tecniche sperimentali consolidate. Secondo Bühler-Paschen, vale ora la pena cercare proprietà topologiche proprio in questi materiali, una strategia che potrebbe portare alla scoperta di numerosi materiali topologici emergenti. La criticità quantistica appare in moltissime classi di composti, dai superconduttori ad alta temperatura ai metalli pesanti con elettroni fortemente correlati, molti dei quali sono oggetto di studio intenso anche presso laboratori europei e istituzioni come l'INFN e il CNR.
La ricerca sfida uno dei pilastri concettuali della fisica della materia condensata moderna: l'idea che descrizioni basate su quasiparticelle siano indispensabili per comprendere fenomeni complessi. Il fatto che la topologia possa manifestarsi anche in assenza di queste descrizioni suggerisce che la natura ha a disposizione meccanismi più ricchi e sottili di quanto immaginato finora. Resta ora da esplorare quanto sia diffuso questo fenomeno e se altri materiali quantistici critici nascondano proprietà topologiche simili, ancora da scoprire.
Gli esperimenti futuri si concentreranno sull'identificazione sistematica di candidati promettenti e sulla verifica sperimentale delle loro caratteristiche topologiche emergenti. La possibilità di controllare questi stati attraverso parametri esterni come pressione, campo magnetico o drogaggio chimico apre prospettive interessanti per applicazioni tecnologiche avanzate.
