Guardando dentro un vortice quantistico

Uno studio internazionale pubblicato su Nature Communications - coordinato dall'Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Ino) di Sesto Fiorentino presso il LENS e a cui hanno partecipato anche le Università di Firenze, di Bologna e di Trieste, la Warsaw University of Technology e l'Università tedesca di Augusta - ha studiato la dinamica dei vortici in superfluidi fortemente interagenti, individuandone i meccanismi fondamentali.

I "vortici" indagati sono piccoli mulinelli di fluido che ruotano attorno a un asse, all'interno di un gas di atomi di litio raffreddato a temperature estremamente basse, appena 10 miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. In queste condizioni, la materia entra in uno stato chiamato superfluido, in cui la viscosità scompare e il fluido scorre senza attrito. Il comportamento superfluido degli atomi ultrafreddi è analogo a quello dei superconduttori, dove la corrente elettrica può circolare senza resistenza, permettendo il trasporto di corrente senza perdita di energia. In entrambi i sistemi, la dinamica dei vortici ha un ruolo fondamentale, poiché può aprire un canale per la dissipazione dell'energia.

Spiega Giacomo Roati, dirigente di ricerca Cnr-Ino presso il LENS e responsabile del gruppo di ricerca: "L'utilizzo di gas atomici ultrafreddi ci ha permesso di studiare questo fenomeno in modo estremamente controllato, all'interno di vere e proprie 'simulazioni quantistiche'. La dinamica dei vortici nel caso studiato condivide similitudini con quella nei superconduttori ad alta temperatura, un campo ancora oggetto di studio. Comprendere il loro moto è essenziale per valutare gli effetti dissipativi e per progettare dispositivi quantistici ad alta efficienza, nei quali tali effetti possano essere minimizzati in modo mirato, aprendo la strada a tecnologie quantistiche all'avanguardia".

"Sia nei superfluidi sia nei superconduttori la dinamica dei vortici è determinata da forze interne al sistema: capire come si muovono è fondamentale per comprendere i limiti con cui questi possono trasportare correnti senza viscosità e resistenza, oltre che per accedere a una conoscenza più profonda dei meccanismi che regolano il comportamento quantistico della materia", aggiunge Nicola Grani, dottore di ricerca in Fisica e Astronomia all'Università di Firenze.

Nel lavoro viene studiata, per la prima volta, la dinamica di un singolo vortice in un superfluido, riuscendo così a determinarne il comportamento in modo semplice e diretto: "I risultati mostrano che il moto dei vortici, nel regime studiato, è influenzato dalla presenza di particelle che popolano il nucleo del vortice", continua Diego Hernández-Rajkov, ricercatore del Cnr-Ino presso il LENS. "Questo studio rappresenta anche la prima evidenza, seppur indiretta, di tali particelle in questo regime. Analizzando la dinamica del vortice, siamo dunque riusciti a ricostruire i fenomeni microscopici che ne regolano la dinamica e la sua struttura interna".