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Alessandro Berlingeri

Intervista: Ferlaino (Università di Innsbruck) la scienziata che va a caccia di mini twister quantistici ultra freddi

(4 Novembre 2022)

(30Science.com) ─ Roma, 4 nov. ─ Un nuovo metodo per la ricerca sui vortici quantistici, dei mini twister ultra freddi, è stato sviluppato dai ricercatori dell’Università di Innsbruck, in Austria. In prima linea, tra i ricercatori coinvolti, c’è Francesca Ferlaino del Dipartimento di Fisica Sperimentale dell‘Università di Innsbruck e dell’Istituto di Ottica Quantistica e Informazioni Quantistiche presso l’Accademia Austriaca delle Scienze. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con Giacomo Lamporesi dell’Università di Trento ed il teorico Russell Bisset dell’Università di Innsbruck. Il nuovo metodo, ora presentato su Nature Physics, sarà utilizzato per studiare la superfluidità in stati supersolidi in cui la materia quantistica è contemporaneamente solida e liquida.

Francesca Ferlaino del Dipartimento di Fisica Sperimentale dell’Università di Innsbruck e dell’Istituto di Ottica Quantistica e Informazioni Quantistiche presso l’Accademia Austriaca delle Scienze.

I vortici sono onnipresenti in natura. Quando l’atmosfera è agitata, possono formarsi enormi tornado. Questo è anche il caso del mondo quantistico, tranne per il fatto che molti vortici identici si formano simultaneamente ed il vortice è quantizzato. In molti gas quantistici, tali vortici quantizzati sono già stati dimostrati.

Questo nuovo metodo come lega la ricerca di vortici quantistici alla superfluidità?

Questo è interessante perché tali vortici sono una chiara indicazione del flusso senza attrito di un gas quantistico – la cosiddetta superfluidità”, ha spiegato Francesca Ferlaino del Dipartimento di Fisica Sperimentale dell’Università di Innsbruck e dell’Istituto di Ottica Quantistica e Informazioni Quantistiche presso l’Accademia Austriaca delle Scienze. “L’osservazione di vortici quantizzati in un gas rotante di atomi magnetici conferma una previsione di lunga data e ha implicazioni di vasta portata per lo studio dei fenomeni legati alla superfluidità.

Quali sono le caratteristiche principali dei superfluidi?

I superfluidi sono dei tipi molto speciali di fluidi che possono esistere allo stato solido (superconduttori), allo stato liquido (elio) e allo stato gassoso (condensati di Bose-Einstein). Indipendentemente dallo stato, le leggi del moto della superfluidità sono universali”, ha dichiarato a 30Science.com Ferlaino. “Un superfluido può fluire senza attrito, ma allo stesso tempo è irrotazionale. Ciò vuol dire che la rotazione del corpo solido, come quella di un disco in vinile su un giradischi, è matematicamente preclusa in un superfluido. Di conseguenza, un superfluido si oppone a qualsiasi tentativo esterno di rotazione, ed il modo in cui si oppone alla rotazione è spettacolare.

Illustrazione della distribuzione della densità di un condensato di Bose-Einstein (dBEC) dipolare rotante che mostra vortici quantizzati basati sui dati di simulazione. I vortici, visibili attraverso i loro cali di densità nel dBEC, si dispongono in strisce a causa del carattere anisotropo a lungo raggio delle interazioni dipolari tra gli atomi.
Credit: Ella Maru Studio Scientific-illustrazioni.com

Ferlaino ed il suo team hanno ricercato gas quantistici fatti di elementi fortemente magnetici. Per tali gas quantistici dipolari, in cui gli atomi sono altamente connessi tra loro, i vortici quantistici non sono stati finora dimostrati. Gli scienziati hanno sviluppato un nuovo metodo di ricerca.

Utilizziamo la direzionalità del nostro gas quantistico di disprosio, i cui atomi si comportano come tanti piccoli magneti, per agitare il gas”, ha spiegato Manfred Mark del team di Francesca Ferlaino. Per fare ciò, gli scienziati hanno applicato un campo magnetico al loro gas quantistico in modo tale che questo gas, inizialmente rotondo a forma di frittella, si deformi ellitticamente a causa della magnetostrizione. Questa idea, tanto semplice quanto potente, è nata da una proposta teorica alcuni anni fa del team teorico dell’Università di Newcastle, guidato da Nick Parker e di cui faceva parte Thomas Bland, il secondo autore dell’articolo.

Ruotando il campo magnetico, possiamo ruotare il gas quantistico”, ha detto Lauritz Klaus, primo autore dell’articolo. “Se ruota abbastanza velocemente, nel gas quantistico si formano piccoli vortici. È così che il gas cerca di bilanciare il momento angolare.

Francesca Ferlaino del Dipartimento di Fisica Sperimentale dell’Università di Innsbruck e dell’Istituto di Ottica Quantistica e Informazioni Quantistiche presso l’Accademia Austriaca delle Scienze.

Cosa è successo quando avete iniziato a far ruotare questi superfluidi?

Nei condensati di Bose-Einstein, se cerchiamo di ruotare un superfluido ma lo facciamo lentamente, il superfluido risponde al momento angolare che stiamo cercando di imprimergli nel modo che ci aspettiamo: si deforma e ruota”, ha concluso Ferlaino. “Ma se cerchiamo di farlo ruotare più velocemente, allora resiste alla nostra azione, smette di ruotare e cerca di ‘curarsi’ dal momento angolare creando difetti topologici, che sono appunto i vortici. È come una risposta immunitaria del superfluido! Ma non crea un vortice gigante, bensì tanti piccoli vortici, in effetti i più piccoli possibili; ogni vortice porta con sé un momento angolare, che si chiama appunto vorticità o valore di quantizzazione. In effetti, costa molta meno energia creare molti vortici piccoli che crearne uno gigante. Questo accade nella meccanica quantistica. Nel mondo classico in cui viviamo, in un fluido classico come l’acqua, se riempiamo un lavandino e improvvisamente togliamo il tappo, vediamo un grande vortice/tornado, e credo che saremmo tutti molto stupiti se invece un giorno il nostro mondo diventasse quantistico e invece di un tornado ne vedessimo centinaia, ma molto piccoli.” (30Science.com)

 

Alessandro Berlingeri
Adoravo parlare di Fantascienza con mia madre prima di dormire e tirar fuori strane teorie anziché ascoltare le favole della buonanotte. La conseguenza? Una laurea in Fisica all’Università degli Studi di Roma "Tor Vergata" con una tesi sui “Metodi per la Ricerca di Pianeti Extrasolari”. Mi dedico dal 2008 alla Divulgazione Scientifica ovunque sia possibile, nelle scuole, in grandi eventi pubblici, in musei, in grandi strutture scientifiche di Roma, radio, televisione, internet.. ovunque! Ho affiancato il tutto alle mie passioni di tutta una vita: il nuoto, la musica, il cinema ed ogni sfaccettatura nerd che si possa immaginare.