Fisica della materia: scoperti i difetti topologici nello stato amorfo

Uno studio internazionale, guidato da Alessio Zaccone, docente di Metodi matematici della Fisica in Statale e pubblicato su Nature Communications, ha dimostrato l’esistenza di difetti topologici nella materia allo stato amorfo, di cui sono fatti tutti quei sistemi strutturalmente disordinati come le cellule del nostro corpo o materiali essenziali come vetri e polimeri.

La materia allo stato amorfo è materia allo stato solido ma le cui molecole e atomi formano strutture disordinate, senza posizioni regolari e ben definite nello spazio, come invece avviene nella struttura di un cristallo, il cui “ordine” interno facilita sia una descrizione matematica che la rilevazione di quei “difetti” che in pratica controllano gran parte delle proprietà fisiche di un cristallo, dal suo cedimento meccanico al modo in cui si propaga attraverso di esso una corrente elettrica.

Di particolare importanza sono i difetti topologici che nel caso dei cristalli si possono descrivere matematicamente come punti di singolarità all’interno di una tessitura ordinata, punti intorno ai quali il valore di una certa quantità cambia dopo aver fatto un giro completo attorno al difetto (esempi di difetti topologici sono i vortici e gli anti-vortici, i solitoni e le dislocazioni nei cristalli che ne controllano le proprietà meccaniche), mentre nei sistemi amorfi, come il vetro o una rete disordinata di connessioni neuronali, si è giunti alla prima osservazione di difetti topologici solo nel 2021, grazie a simulazioni al calcolatore di materiali vetrosi da parte un team di ricerca guidato sempre dal professor Zaccone, osservazioni poi replicate successivamente anche in altri sistemi vetrosi da gruppi di ricerca cinesi, francesi e statunitensi.

Grazie a particolari metodi di analisi numerica applicati al trattamento di dati sperimentali di video-microscopia raccolti all’Università di Konstanz in Germania, il professor Zaccone con il suo team è riuscito questa volta a identificare i difetti topologici anche in un vetro colloidale realizzato sperimentalmente, a struttura totalmente amorfa, composto da particelle che interagiscono fra loro mediante un campo magnetico.

“Aver dimostrato l’esistenza di difetti topologici in sistemi disordinati” – commenta Alessio Zaccone – “rappresenta una svolta cruciale nella fisica della materia in quanto finalmente apre la strada alla possibilità di controllare in maniera razionale le proprietà dei sistemi e dei materiali amorfi con implicazioni per differenti ambiti, dall’intelligenza artificale al sistema nervoso degli esseri viventi, fino alla struttura su larga scala del cosmo”.

Lo studio si inserisce nell’ambito del Progetto “Multimech” coordinato dal professor Zaccone ed è finanziato sia da un grant ERC Consolidator che da un grant assegnato dall’US Army Research Office.