Francesco Scazza, responsabile del laboratorio congiunto ArQuS del Dipartimento di Fisica di UniTS e Cnr-Ino, è tra i firmatari dello studio pubblicato su Nature Physics “Connecting shear flow and vortex array instabilities in annular atomic superfluids”.

In dettaglio, un team di ricerca dell'Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche di Sesto Fiorentino (Cnr-Ino) e dell’Università di Firenze (Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non lineare e Dipartimento di Fisica), in collaborazione con l’Università di Trieste, l'Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia Ulsan in Corea del Sud e del Dipartimento di Fisica dell’Università dei Paesi Baschi ha realizzato un innovativo esperimento con un simulatore quantistico che ha permesso di fare luce su uno dei più affascinanti e complessi fenomeni della fisica: la cosiddetta instabilità di Kelvin-Helmholtz, un fenomeno fluidodinamico che gioca un ruolo fondamentale nell'insorgere della “turbolenza”.

Il fenomeno deve il suo nome ai due studiosi Lord Kelvin e Hermann von Helmholtz che, alla fine del XIX secolo, osservarono come fluidi di diversa densità e messi in moto relativo siano soggetti a perturbazioni di tipo ondoso che evolvono rapidamente in strutture vorticose di grandi dimensioni. Si tratta di un fenomeno ampiamente diffuso, dall'atmosfera all'oceano alle nuvole e persino in contesti astrofisici, come nelle atmosfere stellari o nelle nebulose. 

L’esperimento ha permesso di riprodurre le dinamiche di interazione tra due superfluidi di atomi ultrafreddi di litio (raffreddati cioè a temperature prossime allo zero assoluto, ovvero -273°C) grazie a un simulatore quantistico atomico, un dispositivo progettato per studiare e simulare fenomeni quantistici della materia in maniera estremamente controllata. Per la prima volta, è stato testato l’utilizzo di tali dispositivi per lo studio di fenomeni fluidodinamici in condizioni estreme, che risultano estremamente difficili da studiare attraverso convenzionali tecniche numeriche.

Francesco Scazza di UniTS, sottolinea: “Tramite sistemi sintetici di atomi ultrafreddi è ormai possibile studiare la materia in condizioni estremamente controllate, anche ben oltre quelle che si possono trovare spontaneamente in natura. Queste possibilità verranno ancor meglio sfruttate ottenendo in laboratorio il controllo individuale di ogni singolo atomo che compone il sistema, un obiettivo chiave del laboratorio ArQuS a Trieste.” 

“Connecting shear flow and vortex array instabilities in annular atomic superfluids”, D. Hernández-Rajkov, N. Grani, F. Scazza, G. Del Pace, W. J. Kwon, M. Inguscio, K. Xhani, C. Fort, M. Modugno, F. Marino e G. Roati, Nature Physics (2024).

DIDA IMMAGINE

Nell’esperimento condotto al CNR-INO un fluido quantistico di atomi ultrafreddi manifesta un’instabilità di Kelvin-Helmholtz: un anello formato da vortici quantizzati inizialmente ordinato perde gradualmente stabilità e si frammenta, formando cluster di vortici disordinati.