Il lavoro di ricerca del CNR con l'Università di Firenze in collaborazione con UCBM e Università di Newcastle
21 dicembre 2021 - Mentre nel nostro corpo la dinamica dei vortici favorisce il trasferimento di ossigeno nei vasi sanguigni e gioca un ruolo cruciale nel tessuto cardiaco, nei fluidi classici il moto vorticoso tende a scomparire grazie alla diffusione dell'energia rotazionale. Nel mondo quantistico, invece, i vortici si comportano in maniera differente: la velocità del loro moto rotatorio non può assumere qualsiasi valore e la natura quantistica dei vortici influenza il modo in cui essi perdono energia interagendo tra loro. Questa dispersione può avvenire trasformando l'energia rotazionale in onde sonore nel fluido quantistico. Lo studio di questo meccanismo di conversione è oggetto di un'intensa attività di ricerca multidisciplinare, resa però difficile dalla complessità dei materiali ordinari in cui disomogeneità e imperfezioni impediscono l’osservazione diretta di tale meccanismo fondamentale.
Grazie ad un nuovo studio studio sulla dinamica dei vortici, accelerano i progressi tecnologici nella simulazione quantistica con l'utilizzo di atomi ultrafreddi: un gruppo di ricercatori dell’Istituto nazionale di ottica del Cnr presso il Lens (Laboratorio europeo di spettroscopia non-lineare) dell’Università 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. Il team di ricercatori, in collaborazione con l’Università Campus Bio-Medico di Roma e con l’Università di Newcastle (UK), in particolare 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 °C). "Abbiamo utilizzato delle tecniche ottiche innovative per realizzare un acceleratore di vortici quantistici, che vengono creati in numero controllato e fatti collidere con energia definita”, spiega Woojin Kwon, ricercatore del Cnr-Ino presso il Lens. "Il nostro protocollo è l’analogo 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)”, continua Francesco Scazza, ora professore all’Università di Trieste e associato a Cnr-Ino.
"Il 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 selle di neutroni e superconduttori ad alta temperatura" prosegue Giacomo Roati, dirigente di ricerca Cnr-Ino presso il Lens e responsabile del gruppo di ricerca.
"Questo 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 efficace”, conclude Massimo Inguscio, professore emerito presso l’Università Campus Bio-Medico di Roma, past president Cnr e responsabile dell’Area di Ricerca di Quantum Science and Technology presso il Lens di Firenze.
