Duncan Haldane: Il teorico che ha aspettato trent'anni per essere creduto

Ha pubblicato lavori negli anni '80 che contraddicevano la saggezza convenzionale della fisica della materia condensata così profondamente che ha faticato persino a farli pubblicare. Tre decenni dopo, dopo che altri scienziati hanno finalmente costruito materiali che mostravano gli strani stati della materia che lui aveva solo modellato sulla carta, Duncan Haldane ha ricevuto la chiamata da Stoccolma. "Il mio lavoro è stato una sorta di dormiente", ha detto in seguito, con un eufemismo caratteristico. "Non è diventato un grosso problema finché il mio lavoro non è stato esteso" da altri.

Le insolite origini di un fisico

Frederick Duncan Michael Haldane è nato il 14 settembre 1951 a Londra, figlio di un medico dell'esercito britannico che ha incontrato la madre di Haldane, Ljudmila Renko, una studentessa di medicina slovena, mentre era di stanza vicino al confine tra Jugoslavia e Austria dopo la Seconda Guerra Mondiale — un background che in seguito ha fatto guadagnare a Haldane la doppia cittadinanza britannica e slovena, quest'ultima concessa nel 2019. Ha frequentato la St Paul's School di Londra prima di entrare al Christ's College di Cambridge, dove ha conseguito sia la laurea che, nel 1978, il dottorato, lavorando sotto la guida di Philip Warren Anderson, un fisico che aveva già vinto il suo Premio Nobel per il lavoro sui sistemi disordinati e magnetici — un mentore appropriato, data la direzione che la carriera di Haldane avrebbe poi preso.

Teorizzare una materia che nessuno aveva ancora visto

L'inizio della carriera di Haldane lo ha portato all'Institut Laue-Langevin in Francia dal 1977 al 1981, poi alla University of Southern California e, dal 1986, alla University of California, San Diego. È stato durante questo periodo, principalmente negli anni '80, che ha prodotto il lavoro teorico che avrebbe definito la sua carriera: applicare la topologia — un ramo della matematica che si occupa delle proprietà preservate sotto deformazione continua, l'esempio classico è che una tazza da caffè e una ciambella sono equivalenti perché ognuna ha esattamente un buco — per descrivere il comportamento magnetico di catene unidimensionali di atomi e le sorprendenti fasi in cui la materia può entrare a temperature estremamente basse. Quella che è diventata nota come "congettura di Haldane" prevedeva una differenza fondamentale nel comportamento tra catene di atomi con spin quantistico intero rispetto a mezzo intero, una distinzione che sembrava, all'epoca, quasi troppo strana per essere fisicamente reale. Secondo il resoconto di Princeton sul suo anno Nobel, Haldane "ha lottato per pubblicare" questo lavoro perché andava contro le ipotesi consolidate del campo; ci sarebbero voluti altri fisici, anni dopo, che sintetizzassero effettivamente materiali con le proprietà descritte dalle sue equazioni, affinché il significato dell'idea diventasse innegabile.

Princeton e il riconoscimento

Haldane è entrato alla Princeton University nel 1990, ricoprendo infine la cattedra Eugene Higgins e successivamente la cattedra Sherman Fairchild di Fisica, posizione che ricopre ancora oggi. La sua ricerca si è ampliata nel corso dei decenni per coprire i liquidi di Luttinger, l'effetto Hall quantistico frazionario, l'analisi dello spettro di entanglement, gli isolanti topologici e gli isolanti di Chern, e le descrizioni geometriche dei fenomeni di Hall quantistico utilizzando ciò che gli specialisti chiamano campi tensoriali metrici spaziali unimodulari — territorio tecnico, ma tutto ciò estende la stessa intuizione di base secondo cui la forma della matematica sottostante a un sistema fisico, non solo la sua energia, può determinare fasi della materia completamente nuove. È stato eletto membro della Royal Society nel 1996 e dell'American Physical Society un decennio prima, insieme all'American Academy of Arts and Sciences, all'American Association for the Advancement of Science e all'Institute of Physics britannico. Ha ricevuto il premio Oliver E. Buckley per la materia condensata nel 1993 e la medaglia Dirac nel 2012, ed è stato eletto alla U.S. National Academy of Sciences nel 2017.

La chiamata del Nobel

Nell'ottobre 2016, Haldane ha condiviso il Premio Nobel per la Fisica con David Thouless della University of Washington e J. Michael Kosterlitz della Brown University "per le scoperte teoriche sulle transizioni di fase topologiche e le fasi topologiche della materia", lavoro che la Royal Swedish Academy of Sciences ha accreditato di aver aperto un campo di ricerca completamente nuovo che collega la matematica astratta ai materiali reali, uno che il comitato del premio ha notato potrebbe eventualmente alimentare nuove generazioni di componenti elettronici e computer quantistici. Haldane ha ricevuto la tradizionale chiamata mattutina dalla Svezia intorno alle 4:30 ora di Princeton, e secondo le sue stesse parole è rimasto sorpreso e gratificato — non da ultimo perché gran parte del lavoro teorico sottostante era stato fatto decenni prima, silenziosamente, prima che la fisica sperimentale lo raggiungesse, e il campo stesso era, secondo la sua descrizione, "esploso" da allora man mano che gli scienziati imparavano a fabbricare materiali con le proprietà esotiche che lui aveva potuto modellare solo sulla carta. Vive a Princeton, nel New Jersey, con sua moglie, Odile Belmont.

Perché Duncan è chiamato un genio

Il caso a favore del genio qui è pulito quanto la fisica permette: Haldane ha predetto, usando la matematica pura, fenomeni fisici che gli sperimentatori avrebbero potuto osservare e confermare solo decenni dopo, dopo aver costruito materiali e tecniche che non esistevano ancora quando ha svolto il lavoro teorico. Questo è vicino alla definizione classica della fisica teorica al suo massimo potenziale — descrivere la natura correttamente prima che la natura si sia mostrata. L'onesta avvertenza è che Haldane non ha lavorato in isolamento: ha condiviso il premio con altri due fisici il cui lavoro parallelo (transizioni di Kosterlitz-Thouless) forma un corpo di teoria intrecciato, e l'impatto nel mondo reale del campo — materiali e dispositivi topologici pratici — è, secondo lo stesso Haldane, ancora in una fase relativamente iniziale, più una promessa che una tecnologia consegnata. Il suo genio, in altre parole, è meglio descritto come una modellazione matematica insolitamente lungimirante piuttosto che come un'invenzione immediata che cambia il mondo, il tipo di contributo il cui valore ha impiegato trent'anni per essere pienamente registrato dalla comunità scientifica.

Eredità

Il quadro topologico di Haldane è diventato da allora uno dei rami più attivi della fisica della materia condensata, sostenendo la ricerca in corso su materiali che potrebbero un giorno supportare computer quantistici più robusti ed elettronica a basso consumo, proprio perché gli stati protetti topologicamente resistono al tipo di piccoli disturbi che interrompono la materia ordinaria. La sua carriera si pone come un'illustrazione insolitamente diretta della fisica teorica rivendicata alle sue condizioni: un'idea considerata troppo strana per essere pubblicata facilmente nel 1983 è stata, nel 2016, giudicata degna del più alto onore della scienza.