Sapere Scienza

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La strana danza dei vortici quantizzati

7 Giugno 2018

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: questo è descritto nello studio pubblicato su Nature Communications 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. Cosa sono i vortici quantizzati e quali potrebbero essere le loro applicazioni tecnologiche? Scopriamolo insieme.

 

Dalle spirali di Van Gogh ai vortici quantizzati

 

I vortici esercitano su di noi un fascino particolare. Li ritroviamo in natura come nell'arte: dalla scala cosmologica delle galassie e dei buchi neri a quella atmosferica dei tornado e cicloni, da quella di certe conchiglie (la celebre spirale aurea) o dei piccoli gorghi in un ruscello, fino alle forme spiraleggianti che ci ipnotizzano ammirando le tele di artisti come Van Gogh. 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. Una classe di vortici in qualche modo più fondamentale è rappresentata dai vortici quantizzati: fenomeni che coinvolgono particelle e che sono descritti da numeri che rappresentano la carica angolare del vortice stesso. In sintesi potremmo affermare che i numeri quantici indicano quante "spire" compie un'onda luminosa o un fluido composto. Questa tipologia di vortici può essere indotta sia nelle onde elettromagnetiche sia eccitando un fluido di luce e materia. Per quanto riguarda l'articolo pubblicato su Nature Communications, sono state oggetto di analisi le dinamiche di coppia di vortici impressi in un fluido polaritonico, un termine scientifico che indica un fluido composto da luce e da elettroni.

 

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Perché studiare i vortici quantici?

 

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: questa tecnologia si serve di un raggio laser focalizzato per generare una forza attrattiva o repulsiva in grado di muovere o bloccare oggetti dielettrici microscopici e submicroscopici come atomi, molecole e piccole sfere dielettriche. Un'altra applicazione è l'incremento della risoluzione e della robustezza nelle osservazioni astronomiche e nelle telecomunicazioni. A livello di fisica fondamentale tuttavia, le dinamiche di coppia dei vortici quantici non sono ancora del tutto spiegate e dipendono fortemente dal tipo di fluido quantico in cui si trovano. 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".

 

vortici quantici - scattering

 

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)

 

L'intuizione di lord Kelvin

 

"Per comprendere i vortici quantizzati teniamo conto intanto che, in questi vortici succede qualcosa di controintuitivo, infatti il fluido si muove più velocemente vicino al centro, ovvero dove c'è una curva più stretta che alla periferia", afferma nelcomunicato stampa 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 aveva intuito nella seconda metà dell'Ottocento lo stesso lord Kelvin, scienziato e filosofo". "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 e 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 Ricardo Carretero di San Diego, teorico di fisica non-lineare 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".

copertina   marzo-aprile 2018

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