Un nuovo metodo consente di generarli e controllarli con precisione, aprendo la strada a dispositivi quantistici di nuova generazione. Lo studio, coordinato da Luigi Amico e pubblicato sulla rivista PNAS, apre nuove prospettive per l'atomtronica e le tecnologie quantistiche
Dai mulinelli nell'acqua agli uragani, i vortici sono tra i fenomeni più affascinanti e complessi della natura. Ma quando entrano nel mondo quantistico, seguono regole completamente diverse, governate dalle leggi della meccanica quantistica e ancora oggi al centro di alcune delle sfide più importanti della fisica moderna.
Un team internazionale di ricercatori coordinato dal professor Luigi Amico (Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Catania, sezione di Catania dell'INFN e Technology Innovation Institute di Abu Dhabi), ha compiuto un passo decisivo in questa direzione, sviluppando un metodo capace di creare e controllare vortici quantistici tridimensionali "on demand", segnando un significativo passo avanti nella fisica dei fluidi quantistici e nell'atomtronica.
I risultati, pubblicati sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), aprono nuove prospettive per comprendere la dinamica dei fluidi quantistici e accelerare lo sviluppo delle future tecnologie quantistiche.
I vortici classici sono presenti in un'ampia varietà di esperienze quotidiane, che spaziano dai mulinelli che possiamo osservare nei fluidi ordinari (ad esempio acqua) alle rotazioni su larga scala dei sistemi meteorologici atmosferici.
3d Vortex Rings Concept
La dinamica dei vortici gioca un ruolo importante in diversi fenomeni cruciali nella scienza di base e nella tecnologia, per esempio attraverso la fisica della turbolenza che, a propria volta, determina resistenze aerodinamiche sui veicoli di trasporto fino ai complessi processi di miscelazione nei reattori fluidi industriali. Nonostante i significativi progressi compiuti nel corso degli anni, una comprensione esauriente della dinamica dei vortici rimane elusiva.
Nel regno quantistico, la circolazione della materia attorno ai nuclei dei vortici quantistici può avvenire solo secondo ‘quanti’ fissi e discreti. Oltre che nei superfluidi neutri, questi fenomeni sono rilevanti anche per altri sistemi come fisici, dai superconduttori alle stelle di neutroni. La dinamica dei vortici nei fluidi quantistici costituisce uno dei problemi più formidabili e più dibattuto nella fisica moderna.
Il team – costituito anche da Vijay Singh (Technology Innovation Institute, Abu Dhabi), Ludwig Mathey (University of Hamburg) e Herwig Ott (RPTU Kaiserslautern-Landau) - ha dimostrato come la dinamica dei vortici nei fluidi quantistici possa essere analizzata con grande controllo e precisione attraverso un dispositivo che impiega un superfluido neutro di atomi ultrafreddi, straordinari stati della materia in cui gli atomi si muovono collettivamente senza attrito.
“In questo modo – spiega il prof. Amico -, il dispositivo è capace di ‘programmare’ la generazione di vortici quantistici tridimensionali in maniera deterministica, così aprendo la strada ad una nuova generazione di esperimenti”.
Il prof. Luigi Amico
Il lavoro si sviluppa a partire dai precedenti lavori dello stesso team recentemente pubblicati su Science, che hanno riportato la prima osservazione sperimentale dei cosiddetti ‘Shapiro steps’ in una giunzione Josephson atomica, l'analogo atomico della giunzione Josephson superconduttiva che è alla base dei cquantum computers e che gioca un ruolo impoortante anche in metrologia.
"Le giunzioni Josephson atomiche sono diventate una delle piattaforme di punta dell'atomtronica e sono risultate in grado di offrire percorsi efficaci per la comprensione della fisica dei dispositivi superconduttori a livello microscopico – spiega il prof. Luigi Amico -. In particolare, questo lavoro dimostra che esse possono fare molto di più che trasportare atomi: possono ingegnerizzare stati quantistici topologici su richiesta. Ciò apre prospettive interessanti per la simulazione quantistica, la sensoristica di precisione e le future tecnologie quantistiche".
“I risultati arrivano in un momento di rapida crescita dell'interesse internazionale per l'atomtronica, il campo emergente che cerca di costruire dispositivi quantistici utilizzando atomi ultrafreddi anziché elettroni – aggiunge il docente -. I vortici quantistici controllati potrebbero diventare componenti chiave per i futuri sensori quantistici, i sistemi di navigazione inerziale, i simulatori quantistici analogici e i circuiti programmabili a fluidi quantistici, fornendo al contempo una piattaforma ideale per lo studio della turbolenza e della dinamica non lineare in condizioni di laboratorio precisamente controllate”.