Accelerano i progressi tecnologici nella simulazione quantistica con atomi ultrafreddi: un gruppo di ricercatori dellāIstituto nazionale di ottica del Cnr presso il Lens (Laboratorio europeo di spettroscopia non-lineare) dellāUniversitĆ di Firenze ha studiato la dinamica di vortici quantistici utilizzando un simulatore programmabile basato su atomi ultrafreddi di litio. Questo lavoro, pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature, offre una nuova finestra sui meccanismi elementari alla base del rilassamento di stati quantistici vorticosi come la turbolenza, che rimane tuttora di difficile comprensione e modellizzazione.
ROMA – I vortici, ovvero il moto a spirale di un fluido attorno a un asse definito, fanno parte della nostra vita quotidiana. Li osserviamo quando mescoliamo il caffĆØ o quando nuotiamo, ed appaiono nellāatmosfera come cicloni. Nel nostro corpo, la dinamica dei vortici favorisce il trasferimento di ossigeno nei vasi sanguigni e gioca un ruolo cruciale nel tessuto cardiaco, in connessione con lāinsorgere di patologie e malfunzionamenti.
Nei fluidi classici, il moto vorticoso tende a scomparire grazie alla diffusione dellāenergia rotazionale del fluido causata dalle forze di attrito che gli conferiscono viscositĆ .
Nel mondo quantistico, in cui le particelle si comportano come onde e le leggi della fisica sono dettate da passi discreti, cioĆØ quantizzati, i vortici si comportano in maniera differente. La velocitĆ del loro moto rotatorio non puĆ² assumere qualsiasi valore, ma appunto solo valori ādiscretiā. Nei superfluidi e nei superconduttori, la dinamica dei vortici quantistici gioca un ruolo fondamentale nellāinsorgere di processi dissipativi che ne limitano le proprietĆ di conduzione senza viscositĆ e resistenza.
La natura quantistica dei vortici, inoltre, influenza il modo in cui essi perdono energia interagendo tra di loro. In particolare, la dissipazione puĆ² avvenire trasformando lāenergia rotazionale in onde sonore nel fluido quantistico, anchāesse quantizzate in āquasi-particelleā dette fononi.Ā Lo studio del meccanismo di conversione tra energia vorticosa e onde sonore nei fluidi quantistici ĆØ oggetto di unāintensa attivitĆ di ricerca multidisciplinare, resa perĆ² difficile dalla complessitĆ dei materiali ordinari in cui disomogeneitĆ e imperfezioni impediscono lāosservazione diretta di tale meccanismo fondamentale.
Il team di ricercatori del dellāIstituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ino) presso il Lens (Laboratorio europeo di spettroscopia non-lineare), in collaborazione con il Campus BioMedico di Roma e con lāUniversitĆ di Newcastle (UK), ha osservato per la prima volta il decadimento di vortici quantistici in onde sonore, in campioni di atomi di Litio raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto (-273 Ā°C). Il lavoro ĆØ stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature. Per poter osservare questo fenomeno, il team fiorentino ha sviluppato un approccio completamente nuovo. āAbbiamo utilizzato delle tecniche ottiche innovative per realizzare un acceleratore di vortici quantistici, che vengono creati in numero controllato e fatti collidere con energia definitaā, spiega Woojin Kwon, ricercatore del Cnr-Ino presso il Lens. āIl nostro protocollo ĆØ lāanalogo a livello atomico di un acceleratore di particelle: introducendo i vortici uno a uno nel superfluido atomico in maniera controllata, e osservandone l’evoluzione nel tempo, abbiamo potuto osservare la generazione di onde sonore a seguito del processo di mutua annichilazione tra vortici di circolazione opposta (vortice ed anti-vortice)ā, continua Francesco Scazza, ora professore allāUniversitĆ di Trieste e associato a Cnr-Ino.
āIl nostro lavoro rappresenta una svolta per la comprensione dei meccanismi fondamentali della dinamica dei vortici quantistici collegandosi agli esperimenti effettuati sui campioni di elio liquido, ed offre nuovi scenari agli studi su stelle di neutroni e superconduttori ad alta temperaturaā prosegue Giacomo Roati, dirigente di ricerca Cnr-Ino presso il Lens e responsabile del gruppo di ricerca.
āQuesto lavoro mostra ancora una volta come la simulazione quantistica con materia ultrafredda offra un grande potenziale per future indagini in diversi ambiti di ricerca interdisciplinare, dalla materia condensata fino a sistemi biologici, con una prospettiva completamente nuova ed estremamente efficaceā, conclude Massimo Inguscio, professore emerito presso il Campus Bio-Medico di Roma, past president Cnr e responsabile dellāArea di Ricerca di Quantum Science and Technology presso il Lens di Firenze.
FONTE: Ufficio Stampa CNR.