Bernd Theodor Matthias

Bernd Theodor Matthias nasce l’8 giugno del 1918

Biografia della rubrica “Vita da genio” a cura di Chiara Oppedisano 

BerndBrillante, non convenzionale, creativo, Bernd Theodor Matthias fu tra i pionieri negli studi sulla ferroelettricità e sulla superconduttività. Scoprì centinaia di nuovi materiali lasciandosi guidare dalla profonda conoscenza della tavola periodica, dall’intuito e dalla passione per la sperimentazione.


Bernd nasce a Francoforte l’8 giugno del 1918. Il padre muore quando lui ha solo 2 anni e la mamma decide di spostarsi con i due figli in una cittadina di provincia, investendo sull’educazione dei figli e creando in casa un’atmosfera intellettuale e indulgente. Con l’ascesa del terzo Reich la madre sceglie di mandarlo a studiare in un collegio svizzero, desiderando per lui una carriera da astronomo.
Nel 1936 Bernd entra all’Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) di Zurigo per studiare fisica; qui trova insegnanti del calibro di W. Pauli e G. Wentzel. Nel 1938 il tragico suicidio della madre lo lacera profondamente (oltre a togliergli la principale fonte di sussidio). Inizia a lavorare alla tesi, suo relatore era P. Scherrer, con cui studia cristalli piezoelettrici e ferroelettrici. Nel 1943 consegue il titolo di dottore di ricerca e diventa research associated di Scherrer di cui nel frattempo era diventato amico. La sua conoscenza sui materiali ferroelettrici andava approfondendosi e per questo nel 1947 viene invitato al MIT da H. von Hippel. Dopo un anno al MIT, viene assunto ai Bell Laboratories nel New Jersey. In questo periodo conosce W. Zachariasen un cristallografo di fama internazionale, dal quale impara molto sulla struttura cristallina e sulla crescita dei cristalli. Zachariasen diventerà per Bernd l’amico di una vita, forse la figura paterna di riferimento che non aveva mai avuto.
Dal 1949 al 1951 si mette in aspettativa dai Bell Laboratories per andare all’università di Chicago, dove Zachariasen era capo del dipartimento di fisica, in qualità di assistente. Qui inizia una proficua collaborazione con J. Hulm da cui apprende tecniche sperimentali della fisica delle basse temperature. Su incoraggiamento di Enrico Fermi inizia a studiare i materiali superconduttori, un ambito ancora non del tutto compreso in quel periodo. Questo interesse lo coinvolgerà sempre più negli anni a venire.


Nel 1951, rientrato ai laboratori Bell, continua infatti le ricerche sperimentali sulla superconduttività, scoprendo che il composto CoSi2 aveva proprietà superconduttive, cosa non attesa poiché le sostanze di partenza sono un ferromagnete (il cobalto, Co) e un semiconduttore (il silicio, Si). Per le sue misure Bernd usava un apparato sperimentale che poteva essere raffreddato alle temperature dell’elio liquido. Inizia così a investigare le proprietà di nuovi materiali. Il suo principale assistente era C. E. Corenzwit, che divenne anche suo abituale avversario a scacchi.
Nel 1953 inizia a collaborare con T. Geballe, H. Suhl e J. Remeika con cui studia le proprietà di composti a base di niobio in particolari strutture cristalline, scoprendo che era il materiale con la più alta temperatura di transizione (18 K) allora conosciuto. Dal 1960 il Nb3Sn studiato da Bernd venne impiegato nella costruzione di solenoidi per produrre intensi campi magnetici. Elabora una legge empirica per i materiali superconduttori, che divenne nota tra i colleghi come la “regola di Matthias”, che correlava il numero di elettroni di valenza del materiale con il valore della temperatura critica per il passaggio alla superconduttività. Sebbene la sua legge si applichi soltanto a composti binari (e non ad esempio a composti ternari), gli permette di scoprire pressappoco un migliaio di nuovi materiali superconduttori.
Negli anni ’50 diventa consulente dei Laboratori di Los Alamos; inizialmente nella divisione sugli armamenti per le sue conoscenze dei materiali piezoelettrici, spesso utilizzati come inneschi nelle bombe, ma presto passa alle ricerche in campo di superconduttività, praticamente con carta bianca dei laboratori sulla sua ricerca. Ottiene delle terre rare altamente purificate, lavorate nell’ambito del progetto Manhattan, che utilizza per studiare il legame tra le proprietà superconduttive e magnetiche.


Dal 1961 gli viene assegnata una cattedra al dipartimento di fisica della neonata Università della California di La Jolla, San Diego (UCSD), che diventerà uno dei centri più importanti per gli studi sulla materia condensata. Mantiene comunque la connessione con i Bell Laboratories e la collaborazione con Los Alamos, dove continua a recarsi un mese all’anno durante la stagione estiva.
Durante gli anni a San Diego, Bernd sviluppa un quadro coerente dai suoi risultati sperimentali sulla superconduttività, studiando composti binari contenenti Niobio (Nb) con una struttura particolare (detta beta-tungsteno), alla ricerca di materiali con temperatura critica sempre più elevata. L’obiettivo è infatti quello di trovare un valore di temperatura critica maggiore o uguale a 25 K per poter utilizzare l’elio liquido per il raffreddamento.


Negli anni settanta la ricerca in campo superconduttivo si orienta verso materiali organici in forma di polimeri sottili. Bernd è tuttavia convinto che sia una perdita di tempo perché le temperature alle quali il materiale diventa superconduttivo sono più basse dei composti che lui stesso aveva scoperto.


La sua attività di docente è molto intensa e apprezzata. Tiene seminari avanzati sulla fisica dello stato solido e applica un metodo socratico per stimolare l’apprendimento degli studenti, invogliandoli a pensare in maniera indipendente e stimolando in loro la passione per la fisica sperimentale. Stando ai racconti dei suoi studenti, i suoi insegnamenti più preziosi sono elargiti nel suo laboratorio… dopo la mezzanotte, quando Bernd si presenta e in modo informale spiega e insegna con particolare entusiasmo i segreti della fisica sperimentale.
Bernd ha un carattere molto socievole, “colleziona” amici; con la moglie, Joan Trapp, sposata nel 1950, organizza frequentemente feste informali alle quali invita colleghi e studenti. Come raccontano amici e colleghi, gli piace scommettere. Spesso vince, alcune volte perde… come la volta in cui a pranzo ai Bell laboratories discute con i colleghi che si lamentano di come fosse difficile farsi pagare per viaggi all’estero. Bernd scuote la testa e afferma: “Scommettete che mi farò pagare un viaggio in Tibet dalla Bell?”. La settimana dopo va a pranzo con il presidente della Bell e tra il primo e il secondo gli dice che avrebbe voluto andare in Tibet per un mese a spese della ditta. Quando gli fu chiesta la ragione della richiesta risponde che aveva sentito parlare di un guru indiano che avrebbe potuto insegnargli tecniche sulle percezioni extra-sensoriali che sarebbero state di vitale importanza per la Bell, perché se tutti avessero imparato a praticarle, la telefonia non sarebbe più stata necessaria. Jim Fisk ci pensa su mezzo secondo e replica: “Arrivi tardi Bernd, abbiamo già una divisione che non fa altro che occuparsi di questo.”


Il suo metodo scientifico è sempre guidato da un approccio empirico e induttivo: testa le proprietà di migliaia di composti, cercando di predirne le proprietà in base alle caratteristiche degli elementi componenti e provandole poi sperimentalmente, non lasciandosi mai influenzare dalle teorie prevalenti. La sua indipendenza intellettuale può essere scambiata per irriverenza o desiderio di impressionare i colleghi. Un pizzico di irriverenza in effetti lo dimostra in alcune occasioni, ad esempio quando negli anni cinquanta Wigner gli aveva organizzato un’intervista per un posto a Princeton e si raccomanda affinché si "comportasse bene”. Tutto filava liscio, finché un professore della commissione sarcasticamente gli chiede cosa ne pensasse delle percezioni extra-sensoriali e lui risponde placido che nutriva interesse per il dubbio fenomeno poiché avrebbe da sempre voluto smentire la seconda legge della termodinamica che non gli era mai piaciuta.


Bernd stabilisce relazioni personali molto profonde e cura molto la comunicazione. Ha una forte personalità, esercita un fascino quasi magnetico. Sa di essere apprezzato per le sue capacità e il suo metodo da colleghi e studenti e ci scherza su. Raccontava che una volta, atterrato all’aeroporto di San Diego, salì su un taxi e alla domanda “Dove la posso portare?”, rispose: “Non ha importanza, mi vogliono ovunque!”.

Cavi superconduttori in NbTi (Niobio Titanio) sono utilizzati a LHC alle temperature di -271.3 gradi C. Nell'immagine la costruzione di uno dei nuovi cavi superconduttori formato da 40 fili in Nb3Sn (niobio, stagno) che saranno installati nell'LHC per la nuova fase ad alta luminosità


Morì il 27 Ottobre 1980. Fu un utilizzatore creativo della tavola periodica, scoperì nuove classi di materiali ferroelettrici e superconduttori, spalancando le porte verso nuovi studi e applicazioni di notevole rilevanza.

Amici e colleghi di Bernd hanno istituito dal 1989 un premio in suo onore conferito per contributi innovativi nel campo della supercondutività.

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