Nelle scienze fisiche, certe quantità appaiono come multipli interi di elementi fondamentali e indivisibili. Questa quantizzazione di grandezze fisiche, che è al centro della nostra descrizione della natura, si è fatta strada nei secoli, come testimonia l'antico concetto di atomo. È importante sottolineare che la scoperta di quantità quantizzate è stata spesso associata a una rivoluzione nella nostra comprensione e apprezzamento della legge di natura, un esempio lampante è la quantizzazione della luce in termini di fotoni, che ha portato alla nostra descrizione contemporanea (quanto-meccanica) del mondo microscopico.

Un team internazionale guidato dal Prof. Nathan Goldman, Facoltà di Scienze, Università libera di Bruxelles, predice una nuova forma di legge di quantizzazione, che coinvolge un tipo distinto di osservabile fisico:la velocità di riscaldamento di un sistema quantistico in caso di scuotimento esterno. Per comprendere questo concetto, consideriamo prima un'immagine analoga più semplice:quando un cubetto di ghiaccio viene inserito in un forno a microonde, quest'ultimo eccita le molecole d'acqua, portando quindi ad un progressivo scioglimento del ghiaccio; durante questo processo di riscaldamento, il numero di molecole che formano il ghiaccio diminuisce nel tempo, un processo che può essere quantificato da una velocità di riscaldamento. Nel presente articolo, gli autori dimostrano come, in circostanze specifiche, tali velocità di riscaldamento devono soddisfare un'elegante e precisa legge di quantizzazione. Nello specifico, gli autori spiegano che questo fenomeno si verifica quando un sistema fisico, che inizialmente forma uno stato esotico della materia (una fase topologica), viene riscaldato in modo controllato; al riscaldamento, le particelle vengono espulse dalla fase topologica (in diretta analogia con lo scioglimento del ghiaccio sopra descritto) e si mostra che la corrispondente velocità di riscaldamento soddisfa la suddetta legge di quantizzazione.

Un aspetto cruciale di questa nuova legge di quantizzazione è che è dettata dalla natura topologica della fase iniziale del sistema, in diretta analogia con la quantizzazione della conduttanza nei solidi. Per comprendere questa analogia, ricordiamo che la conduttanza, che determina l'efficienza con cui si generano correnti elettriche in un materiale, può essere quantizzato in termini di "quanto di conduttanza"; questa è la firma dell'effetto Hall quantistico, celebrata da due premi Nobel, nel 1985 e nel 1998. Sorprendentemente, questa quantizzazione della conduttanza si è rivelata profondamente connessa a un concetto matematico fondamentale:la topologia. In breve, la topologia mira a classificare gli oggetti geometrici secondo le loro caratteristiche più elementari, ad esempio, il loro numero di fori o avvolgimenti. Questa elegante relazione tra la quantizzazione fisica della conduttanza e il concetto astratto di topologia ha aperto la porta all'esplorazione di un'ampia famiglia di stati esotici della materia, le cosiddette fasi topologiche, la cui scoperta è stata recentemente insignita del Premio Nobel 2016 per la Fisica. La scoperta riportata dal team internazionale guidato dal Prof. Goldman offre quindi una nuova prospettiva sugli intriganti legami tra le leggi di quantizzazione in fisica e la topologia.

Oltre all'eleganza di questa nuova legge di quantizzazione per le velocità di riscaldamento, questa scoperta ha un importante corollario:il riscaldamento di un sistema quantistico può essere utilizzato come sonda universale per gli stati esotici della materia. Gli autori propongono una piattaforma fisica particolarmente adatta alla sua realizzazione sperimentale:un gas ultrafreddo di atomi intrappolati in un reticolo ottico (un paesaggio periodico creato dalla luce). È noto che tali configurazioni costituiscono una cassetta degli attrezzi ideale per l'ingegneria quantistica della materia topologica, ma anche, per l'implementazione di nuovi tipi di misurazioni. In pratica, l'esperimento proposto consisterebbe nella preparazione di una fase topologica, caricando un gas ultrafreddo in un reticolo ottico, e poi scuotendo questo reticolo in modo circolare; le velocità di riscaldamento risultanti verrebbero quindi estratte misurando il numero di atomi rimasti nella fase topologica dopo una certa durata di scuotimento.