Isolamento acustico con l'aiuto della fisica quantistica

Il modo più semplice per visualizzare il significato di "topologico" è prendere una ciambella, che può essere trasformata in una tazzina da caffè tirandola, allungandola e deformandola, senza doverla tagliare. In questo senso, la ciambella e la tazzina di caffè sono topologicamente identiche, e se applichiamo lo stesso principio alle funzioni d'onda quantomeccaniche degli elettroni in un solido, arriviamo al fenomeno dell'isolante topologico. Si tratta di fisica quantistica per studenti avanzati, molto complicata e lontana dal mondo di tutti i giorni. Tuttavia, il professore Huber e i suoi colleghi sono riusciti a rendere molto concrete queste idee astratte e, percorrendo per così dire la via breve, con collaboratori di vari dipartimenti dell'ETH, a trovare possibili applicazioni nel campo dell'ingegneria.

Dai quanti alla meccanica

Huber è partito da una semplice domanda: il principio di un isolante topologico può essere trasferito ai sistemi meccanici? La fisica quantistica e la meccanica sono in realtà due mondi diversi. Nel mondo quantistico, le particelle possono "tunnelare" attraverso le barriere e annullarsi o amplificarsi a vicenda come onde, mentre la meccanica di tutti i giorni si occupa più della caduta dei corpi o della statica dei ponti. Tuttavia, Huber e i suoi colleghi si sono resi conto che le formule matematiche che descrivono le proprietà quantistiche di un isolante topologico possono essere trasformate in modo da assomigliare a quelle di un sistema meccanico ben noto, ovvero una serie di pendoli oscillanti.

In particolare, le formule meccaniche hanno previsto i cosiddetti stati limite, proprio come le loro controparti meccaniche quantistiche. In questi stati eccitati, una corrente elettrica (o un'oscillazione meccanica) scorre lungo i bordi del materiale, mentre l'interno del sistema rimane completamente inalterato. "Teoricamente è un bel risultato", dice Huber, "ma naturalmente il modo migliore per convincere le persone è metterlo in pratica".

Non è presto detto. Insieme ai tecnici dell'ETH, Huber e il suo studente hanno costruito un modello meccanico composto da 270 pendoli disposti in una griglia rettangolare, collegati tra loro da piccole molle. Due dei pendoli possono essere eccitati meccanicamente, cioè scossi avanti e indietro con una certa frequenza e forza. Gli accoppiamenti delle molle fanno oscillare gradualmente anche gli altri pendoli. A una certa frequenza di eccitazione, la fisica ha finalmente visto ciò che sperava: I pendoli all'interno del rettangolo rimanevano fermi, mentre quelli ai bordi oscillavano ritmicamente, creando una sorta di "onda" che scorreva intorno al rettangolo. I pendoli accoppiati si comportavano quindi come un isolante topologico.