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Danza di coppia dei vortici quantizzati

Una coppia di vortici quantizzati all’interno di un fluido di luce e materia può evolvere lungo traiettorie analoghe a quelle di due particelle puntiformi e interagenti. Lo ha dimostrato l’Istituto di nanotecnologia del Cnr in un recente studio pubblicato su Nature Communications

I vortici hanno un fascino particolare, e non a caso ricorrono un po’ ovunque in natura e nell’universo, dalla scala cosmologica delle galassie e dei buchi neri a quella atmosferica dei tornado e cicloni, da quella di certe conchiglie o dei piccoli gorghi in un ruscello, fino al mondo dell’arte e di spiraleggianti forme che hanno ispirato artisti come Van Gogh e Klimt. Le loro linee che da un centro tendono ad aprirsi all’infinito e viceversa, portano a riflettere sulle origini dell’universo e sul significato fisico della loro esistenza. In effetti, una classe di vortici in qualche modo più fondamentale, è rappresentata dai vortici quantizzati, come quelli eccitabili nelle onde elettromagnetiche o nei fasci di elettroni. Proprio le dinamiche di coppia di vortici impressi in un fluido polaritonico—un termine scientifico che indica un fluido composto da luce e da elettroni—sono state l’oggetto di uno studio sperimentale e teorico condotto dai ricercatori dall’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Nanotec) di Lecce, in collaborazione con la San Diego State University e le Università di Siviglia, Porto, Atene e del Massachusetts, pubblicato su Nature Communications.

Per comprendere i vortici quantizzati teniamo conto intanto che, in questi vortici succede qualcosa di contro-intuitivo, infatti il fluido si muove più velocemente vicino al centro, ovvero dove c’è una curva più stretta che alla periferia”, afferma Lorenzo Dominici, ricercatore del Cnr-Nanotec di Lecce. “Inoltre, il suo centro, chiamato ‘singolarità di fase’, che ha una densità nulla, è praticamente puntiforme e possiede al tempo stesso una carica quantizzata (quella di rotazione angolare orbitale). Sono proprio queste caratteristiche ad aver suggerito, forse, una possibile analogia tra vortice quantico e una particella elementare, così come già suggeriva lo stesso lord Kelvin, scienziato e filosofo a fine ‘800”. I vortici quantici sono stati oggetto di intense ricerche a partire dagli anni ‘90, perché le loro distribuzioni, regolari o turbolente nei condensati di atomi ultrafreddi, sono alla base di importanti transizioni di fase come quelle di un superfluido o di un superconduttore. Inoltre oggi, i vortici fotonici vengono studiati anche per un maggiore controllo di cellule o particelle nelle cosiddette pinzette ottiche, per aumentare la risoluzione e la robustezza nelle osservazioni astronomiche e nelle telecomunicazioni. A livello di fisica fondamentale tuttavia, le loro dinamiche di coppia non sono ancora del tutto spiegate, e dipendono fortemente dal tipo di fluido quantico in cui si trovano.

Abbiamo impresso una coppia di vortici con lo stesso segno, ovvero che girano nello stesso verso, nel fluido polaritonico di una microcavità ottica, e come atteso, i due vortici hanno cominciato a muoversi essi stessi, uno intorno all’altro, come se effettivamente si sentissero ed influenzassero a vicenda. Il risultato inatteso, è stato poi osservare che, oltre a ruotare, essi tendevano ad avvicinarsi per poi rimbalzare. Questo non era stato mai osservato nemmeno nei condensati di atomi ultrafreddi [che condividono varie proprietà con i polaritoni, ndr]”, dichiara il prof Ricardo Carretero di San Diego, teorico di fisica nonlineare e vortici.

Occorre precisare” aggiunge Lorenzo Dominici, “che è l’intero fluido intorno ai vortici a mediare queste dinamiche, che possono però essere descritte come dovute a un potenziale attrattivo-repulsivo tra i due vortici puntiformi. Sembra proprio che la teoria di lord Kelvin” conclude Dominici, “possa essere altrettanto sensata in senso fisico oltre che filosofico, come forse un giorno si scoprirà”.

Daniele Sanvitto, coordinatore del team sperimentale del Cnr-Nanotec di Lecce, ricorda che “in realtà ci sono già proposte teoriche per utilizzare i vortici quantici, in giroscopi ultrasensibili o anche per elaborare informazioni in memorie e computer ottici o quantistici; sapere cosa succede in un fluido polaritonico soggetto a forze interne è fondamentale per studiare dispositivi di questo tipo”.

Immagine: I due vortici quantizzati all’interno del fluido polaritonico a tre diversi istanti di tempo (sinistra) e la rappresentazione dell’evento di scattering tra i due vortici in forma di filamenti spazio-temporali (destra).

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Alberto Cattarin
Alberto Cattarin, vengo da Isili e ho 24 anni. Studio Comunicazione, amante del tempo libero e del buon cibo.

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