Premio Nobel che ha sviluppato la teoria della superconduttività

Leon Cooper, morto all’età di 94 anni, contribuì a risolvere un problema che aveva sconcertato molte delle più grandi menti della fisica del ventesimo secolo. Con i suoi colleghi John Bardeen e Robert Schrieffer, ha decifrato la danza degli elettroni che provoca la superconduttività, ovvero l’improvviso calo di resistenza elettrica sperimentato da alcuni materiali, come il mercurio, quando raggiungono temperature solo pochi gradi superiori allo zero assoluto. Da allora questo fenomeno è servito a generare, ad esempio, i campi magnetici molto elevati necessari per far funzionare tecnologie come i body scanner per la risonanza magnetica. La teoria della superconduttività Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) valse loro il Premio Nobel per la fisica nel 1972.

Dopo aver risolto uno dei problemi più difficili della fisica, Cooper rivolse la sua attenzione alle neuroscienze. Con i suoi studenti laureati Elie Bienenstock e Paul Munro, ha sviluppato un modello – inevitabilmente soprannominato teoria Bienenstock-Cooper-Munro (BCM) per rispecchiare la teoria BCS – dei cambiamenti nella forza delle connessioni neuronali nel cervello man mano che gli individui apprendono.

Il suo lavoro teorico pionieristico sulle reti neurali lo colloca in compagnia di altri fisici come John Hopfield e Geoffrey Hinton, vincitori del Premio Nobel per la fisica 2024, che hanno sviluppato algoritmi in grado di rappresentare il processo di apprendimento in un modello di un volume molto piccolo di tessuto cerebrale.

Cooper (originariamente Kupchik) è nato a New York City, figlio di immigrati ebrei dalla Bielorussia e dalla Polonia. Dopo la morte della madre, lui e sua sorella trascorsero parte della loro infanzia in custodia. Nel 1947 si laureò alla Bronx High School of Science, che ha prodotto altri sei premi Nobel per la fisica. Studiò poi fisica alla Columbia University di New York City, completando un dottorato di ricerca nel 1954.

Perché la ricerca sui superconduttori vive una “età dell’oro” nonostante le controversie

Si unì all’Institute of Advanced Study di Princeton, nel New Jersey, per un anno, prima che Bardeen lo reclutasse all’Università dell’Illinois a Champaign-Urbana, per lavorare insieme su problemi di teoria della materia condensata e in particolare sulla superconduttività. “La lunga e imponente lista di fisici (tra cui (Niels) Bohr, (Werner) Heisenberg e (Richard) Feynman) che avevano provato o stavano provando a lavorare sulla superconduttività avrebbe dovuto farmi riflettere”, ha ricordato Cooper in un successivo libro di memorie. . Feynman aveva addirittura affermato che chiunque avesse tentato di affrontare la superconduttività avrebbe presto scoperto di essere “troppo stupido per risolvere il problema”.

La superconduttività fu osservata per la prima volta nel 1911, ma a metà degli anni Cinquanta non si sapeva ancora come gli elettroni potessero fluire apparentemente senza limiti nel mercurio superraffreddato. Alcuni hanno suggerito che per spiegare il fenomeno potrebbe essere necessaria una nuova fisica, ad esempio un tipo di particella da scoprire. Lavorando per più di un anno con ogni strumento teorico a sua disposizione, Cooper propose che deboli vibrazioni nei reticoli di atomi a basse temperature spingessero gli elettroni ad accoppiarsi invece di respingersi a vicenda. Tutte queste “coppie di Cooper” potrebbero a loro volta operare come un’unica entità e attraversare il reticolo senza opposizione.

L’analisi matematica di Schrieffer ha supportato la teoria, che Bardeen ha perfezionato. Il loro articolo fece scalpore (J. Bardeen et al. Fis. Rev. 1081175; 1957); è stato successivamente confermato mediante esperimento. Lo stesso fenomeno è alla base anche delle prestazioni dei “superconduttori ad alta temperatura” scoperti più recentemente, che raggiungono uno stato privo di resistenza fino a 100 gradi sopra lo zero assoluto. “La cosa grandiosa che Bardeen, Cooper e Schrieffer hanno dimostrato è che non è stato necessario introdurre nuove particelle o forze per comprendere la superconduttività”, ha scritto Steven Weinberg, un fisico teorico che ha vinto il Premio Nobel per la fisica nel 1979.

In che modo i superconduttori a temperatura ambiente cambierebbero la scienza?

Nel 1958, Cooper si trasferì alla Brown University di Providence, Rhode Island, dove rimase per il resto della sua vita lavorativa. Nel 1974 fondò lì l’Istituto per il cervello e i sistemi neurali, reclutando un team per ricercare la connettività alla base delle funzioni cognitive. Il gruppo si basò sul lavoro di pionieri come i ricercatori del cervello Warren McCulloch e Walter Pitts dell’Università dell’Illinois a Chicago, che avevano pubblicato un modello matematico di una rete neurale nel 1943 (WS McCulloch e W. Pitts, Toro. Matematica. Biofisica. 5115–133; 1943) e dello psicologo canadese Donald Hebb, il cui libro del 1949 L’organizzazione del comportamento hanno proposto che, se i neuroni si attivano ripetutamente – cioè inviano segnali elettrici – al corpo e al cervello allo stesso tempo, le sinapsi tra loro diventano più forti.

La teoria BCM, pubblicata nel 1982, affrontava il modo in cui cellule specifiche nella corteccia visiva diventano selettive per determinati stimoli, come un bordo con un angolo particolare, a seconda della precedente esperienza visiva. Ha proposto che, quanto più spesso i segnali in arrivo attivano un neurone, tanto più alta diventerebbe la soglia per la sua attivazione, e viceversa. Questa soglia scorrevole ha l’effetto di stabilizzare la reattività del neurone, rendendolo più o meno attivo. L’obiettivo di Cooper era modellare il funzionamento del cervello vivente e la teoria BCM ha superato la prova del tempo. Ha anche avuto un ruolo nello sviluppo dell’apprendimento automatico. Cooper e i suoi collaboratori hanno continuato ad applicare le conoscenze dell’apprendimento automatico a molti altri campi, come il rilevamento sonar.

Sebbene si sia formalmente ritirato nel 2014, Cooper non ha mai perso la sua curiosità. Nello stesso anno pubblicò una raccolta di saggi, Scienza ed esperienza umanabasato sul suo vivo interesse per la fisica, le neuroscienze, la filosofia e il modo in cui questi campi interagivano tra loro. Sosteneva che la scienza emergeva da un desiderio unicamente umano di spiegare il mondo che ci circonda e che l’immaginazione era una parte cruciale del processo. “La nostra immaginazione è meravigliosamente libera”, ha scritto, “capace di qualsiasi giustapposizione, illimitata dalla logica o dall’esperienza”.

Interessi concorrenti

L’autore non dichiara interessi concorrenti.