Tracciamento dei vortici in un fluido quantistico di luce e del campo di velocità associato
Creato, per la prima volta, un moto turbolento in un fluido di luce: il risultato apre a un nuovo campo di ricerca che, sfruttando le potenzialità della fotonica, permette di studiare la turbolenza con una precisione mai raggiunta
I fenomeni turbolenti sono tra gli effetti più sorprendenti che possono esibire sia i fluidi classici che quelli quantistici. Sebbene la turbolenza classica sia onnipresente in natura, l'osservazione della turbolenza quantistica richiede la manipolazione precisa di fluidi quantistici come l'elio superfluido o i condensati atomici di Bose-Einstein.
Utilizzando l'approccio della fisica quantistica, il team è riuscito, infatti, a creare e osservare, per la prima volta, un moto turbolento in un fluido di luce: un risultato che apre la strada a un nuovo campo di ricerca che unisce le potenzialità della fotonica per studiare la turbolenza con una precisione mai raggiunta, descrivendo processi che spaziano dall'aerodinamica di un aeroplano al flusso del sangue nelle nostre arterie, dallo studio del campo magnetico terrestre alle eruzioni della corona solare.
Il lavoro, frutto della collaborazione con i gruppi teorici dell'Istituto di Fisica della Polish Academy of Sciences (Varsavia, Polonia) e del Dipartimento di Fisica e Astronomia del University College London (London, UK), è pubblicato sulla rivista Nature Photonics. (1)
«Sebbene il moto turbolento sia regolato da equazioni molto note in fisica, la difficoltà del problema risiede nella non linearità di queste equazioni rispetto alla velocità del fluido e nell'ampia gamma di scale spaziali coinvolte: questi due elementi rendono difficile simulare numericamente la dinamica turbolenta, anche usando i potentissimi computer oggi a disposizione», spiega il dottor Dario Ballarini (2), primo ricercatore del Cnr-Nanotec. «Oggi, la novità del nostro studio consiste nell'aver indagato la turbolenza da un nuovo punto di vista, studiando il fenomeno in un nuovo sistema, i fluidi quantistici di luce. Per creare un fluido quantistico di luce bisogna unire le proprietà di coerenza della luce con le forti interazioni tipiche della materia, e per fare ciò è necessario ibridizzare i fotoni (particelle quantizzate di luce, n.d.r) con gli elettroni. Noi realizziamo questi fluidi quantistici intrappolando sia la luce che gli elettroni all'interno di speciali dispositivi noti come microcavità di semiconduttore».
In passato, il fenomeno della turbolenza è stato descritto da un punto di vista statistico, ipotizzando la presenza di “cascate di energia”. In tre dimensioni, il flusso di energia va dalle grandi scale alle piccole scale, cioè vortici di grandi dimensioni si dividono via via in vortici più piccoli, fino a raggiungere le scale spaziali microscopiche dove l'energia viene finalmente dissipata in calore. Uno degli aspetti più affascinanti e ancora non del tutto risolto del moto turbolento è l'osservazione che questa cascata di energia appare “invertita” in fluidi confinati in due dimensioni, ad esempio nel moto turbolento di una lamina sottile di fluido. Qui, infatti, vortici sempre più grandi si formano a partire da vortici più piccoli e creano grandi strutture stabili nel tempo: una “cascata inversa” di energia che descrive, ad esempio, il meccanismo alla base dell'accumulo di plastiche negli oceani o la stabilità delle strutture vorticose che si estendono per migliaia di chilometri nell'atmosfera terrestre e in pianeti come Giove e Saturno.
I ricercatori del Cnr-Nanotec sono riusciti ad osservare il fenomeno della cascata inversa di energia e la formazione di cluster di vortici dello stesso segno in un fluido quantistico di luce, dimostrando che anche in due dimensioni la turbolenza quantistica e quella classica condividono gli stessi processi fondamentali.
«Il nostro studio prende le mosse dai risultati ottenuti negli anni '90 sul controllo dei fluidi quantistici con elevati livelli di precisione, sia con l'elio superfluido che con la realizzazione di condensati di Bose-Einstein di atomi», precisa Daniele Sanvitto (3), direttore di ricerca del gruppo. «Questo ha permesso di mettere in pratica le idee di Onsager e Feynmann, che avevano introdotto lo studio della turbolenza quantistica. In un fluido quantistico, i vortici sono quantizzati e consentono di sviluppare modelli di turbolenza semplificati (point-vortex model), suggerendo che la comprensione della turbolenza quantistica possa servire per catturare gli aspetti essenziali e ancora misteriosi della turbolenza nei fluidi classici. La possibilità di misurare la velocità di un fluido quantistico di luce e di seguire il movimento dei vortici quantistici in questi sistemi ottici offre, pertanto, notevoli speranze per la comprensione di questo fenomeno».
Riferimenti:
(1) Onset of vortex clustering and inverse energy cascade in dissipative quantum fluids
(2) Dario Ballarini
(3) Daniele Sanvitto
Descrizione foto: Tracciamento dei vortici in un fluido quantistico di luce e del campo di velocità associato. I vortici sono classificati in base al loro verso di rotazione (blu e rosso indicano rotazione oraria e antioraria, rispettivamente), le linee di flusso indicano la velocità del fluido dovuta alla presenza dei vortici e la scala di colori è proporzionale all'intensità dell'energia cinetica del fluido quantistico di luce. - Credit: Cnr-Nanotec.
Scheda
Che cosa: Articolo "Onset of vortex clustering and inverse energy cascade in dissipative quantum fluids", R. Panico, P. Comaron, M. Matuszewski, A. S. Lanotte, D. Trypogeorgos, G. Gigli, M. De Giorgi, V. Ardizzone, D. Sanvitto & D. Ballarini; Nature Photonics (2023)
Chi: Istituto di Nanotecnologia del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr-Nanotec); Polish Academy of Sciences (Varsavia, Polonia); University College London (Londra, UK).
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