Richardson, Robert Coleman
Richardson, Robert Coleman
Fisico statunitense, nato a Washington il 26 giugno 1937. Laureatosi in fisica presso il Virginia Polytechnic Institute di Blacksburg (1958), ha poi conseguito il Ph.D. presso la Duke University di Durham (N.C.) nel 1965. La sua carriera accademica, tranne un breve periodo iniziale presso la Duke University (1965-66), si è svolta presso la Cornell University di Ithaca (N.Y.), dove ha ricoperto vari incarichi di ricercatore e professore (1966-75), fino a ricoprire, dal 1987, la cattedra di fisica F.R. Newman. Dal 1990 al 1997 è stato direttore del laboratorio di fisica atomica e dello stato solido della stessa università. Fin dai tempi del dottorato, gli studi di R. hanno riguardato la fisica delle basse temperature, in particolare le proprietà dei liquidi e dei solidi a temperature dell'ordine del mK e le proprietà di superfluidità di He-3 e He-4.
Membro della National Academy of Science e socio della American Physical Society, insieme a D.M. Lee e D.D. Osheroff (v. le voci rispettive, in questa Appendice) ha ricevuto il premio Sir Francis Simon Memorial nel 1976, il premio per la fisica dello stato solido Oliver E. Buckley nel 1981 e, nel 1996, il premio Nobel per la fisica per la scoperta (1972) della superfluidità dell'isotopo He-3. Lo stato superfluido dell'He-3 fu rilevato grazie a un apparato criogenico progettato per raggiungere temperature di pochi mK durante un esperimento condotto da R., Lee e Osheroff per finalità del tutto diverse. Un importante contributo venne in seguito dato dal fisico A. Leggett per quanto riguarda l'interpretazione teorica dei risultati sperimentali ottenuti. R. e il suo gruppo di ricerca continuano a occuparsi di problemi di fisica delle basse temperature, utilizzando allo scopo il metodo della risonanza magnetica nucleare e altre tecniche di risonanza a bassa frequenza, e facendo uso di dispositivi superconduttori.
Un superfluido è un particolare stato liquido della materia, caratterizzato dalla proprietà di poter scorrere senza viscosità apprezzabile e di fluire attraverso aperture piccolissime. I superfluidi sono noti fin dagli anni Trenta, allorquando J. Allen, presso l'università di Toronto, riuscì a raffreddare He-4 a 2K, e sono stati oggetto della motivazione di ben due premi Nobel: nel 1962 a L. Landau per la spiegazione teorica del fenomeno, e a P. Kapica nel 1978 per la prima rilevazione sperimentale. Durante il periodo di dottorato Osheroff, sotto la guida di R. e Lee, all'epoca suoi relatori, scoprì la prima delle tre fasi superfluide di He-3, a una temperatura di soli 2,5 mK. I nuclei dell'isotopo raro He-3 contengono due protoni e un solo neutrone, in luogo dei due protoni e due neutroni che costituiscono il nucleo dell'isotopo più abbondante He-4. I neutroni e i protoni hanno spin pari, rispettivamente, a+1/2 e −1/2 da cui consegue che He-4 ha uno spin complessivo nullo e, quindi, appartiene alla famiglia dei bosoni, caratterizzati da valori interi di spin; He-3, con spin +1/2 invece è un fermione. Solo i bosoni sono in grado di occupare lo stesso stato quantistico simultaneamente, così da comportarsi come un'unica entità collettiva, circostanza necessaria perché si abbia superfluidità. In linea di principio, quindi, He-3 non potrebbe presentare un comportamento superfluido. Tuttavia, in accordo con la teoria BCS (dalle iniziali di J. Bardeen, L. Cooper, R. Schrieffer, vincitori congiunti del premio Nobel per la fisica nel 1972) per la superconduttività nei metalli, due fermioni possono combinarsi formando una coppia di Cooper e comportarsi come un bosone. Su questa base, numerosi ricercatori hanno tentato a lungo di verificare sperimentalmente il comportamento superfluido di He-3, senza successo fino all'esperimento di R., Osheroff e Lee. La scoperta della superfluidità in He-3 fu, in effetti, un risultato spurio di un esperimento che si prefiggeva di verificare l'esistenza di una fase antiferromagnetica di He-3 solido. Si deve a Osheroff l'interpretazione di alcune presunte anomalie nei risultati sperimentali, come la conseguenza del comportamento superfluido di He-3. Studi successivi hanno dimostrato come He-3 abbia almeno tre distinte fasi superfluide, legate a differenti condizioni di campo magnetico e temperatura. Poiché due atomi di He-3 possono accoppiarsi e comportarsi da bosone con spin pari a 1, mentre He-4 presenta spin nullo, ciò dà luogo a un diverso comportamento superfluido tra i due isotopi. Il comportamento superfluido di He-3 è meno spettacolare di quello di He-4, ma è tale da presentare proprietà anisotrope. Per esempio, He-3 può mostrare velocità di scorrimento e di propagazione delle onde elastiche differenti in funzione della direzione considerata. Tali anisotropie, non riscontrabili nei fluidi classici, sono simili a quelle dei cristalli liquidi.
La transizione di He-3 alla fase superfluida anisotropa (quella scoperta da R., Lee e Osheroff e denominata A) e processi di riscaldamento localizzato realizzati mediante reazioni nucleari indotte da neutroni sono stati recentemente utilizzati con successo per simulare in laboratorio la creazioni di vortici con proprietà simili a quelle che dovrebbero caratterizzare le cosiddette stringhe cosmiche, che si sarebbero formate frazioni di secondo dopo l'ipotizzato Big Bang iniziale. Tutto ciò conferma, tra l'altro, come le leggi della fisica quantistica, formulate per sistemi microscopici, possano poi in effetti governare sistemi macroscopici.