Risolto il grande mistero del moto vorticoso quantizzato

Esaminando come gli anelli del vortice quantizzati decadono spontaneamente, emergono dati decisivi per identificare il modello che meglio riproduce le osservazioni

Il moto dei vortici quantizzati è responsabile di molti fenomeni intriganti in diversi sistemi di fluidi quantistici. Avere un modello teorico per prevedere in modo affidabile il moto del vortice promette quindi un ampio significato. Ma una grande sfida nello sviluppo di un tale modello è valutare la forza dissipativa causata dalle quasiparticelle termiche nei fluidi quantistici che si diffondono dai nuclei del vortice. Sono stati proposti vari modelli, ma non è chiaro quale modello descriva la realtà a causa della mancanza di dati sperimentali comparativi.

L'elio liquido-4, che si trova in uno stato superfluido a temperature criogeniche vicine allo zero assoluto (-273°C), ha uno speciale vortice chiamato vortice quantizzato che ha origine da effetti quantomeccanici. Quando la temperatura è relativamente alta, il fluido normale esiste simultaneamente nell'elio superfluido, e quando il vortice quantizzato è in movimento, si verifica un attrito reciproco tra esso e il fluido normale. Tuttavia, è difficile spiegare con precisione come un vortice quantizzato interagisce con un fluido normale in movimento. Sebbene siano stati proposti diversi modelli teorici, non è chiaro quale sia quello corretto.

Un articolo pubblicato su Nature Communications (1) narra che un gruppo di ricerca guidato dal Professor Makoto Tsubota e dal Professor Satoshi Yui, Specially Appointed Assistant Professor, della Graduate School of Science e del Nambu Yoichiro Institute of Theoretical and Experimental Physics, Osaka Metropolitan University, rispettivamente, in collaborazione con i loro colleghi della Florida State University e della Keio University, ha studiato numericamente l'interazione tra un vortice quantizzato e un fluido normale.

Sulla base dei risultati sperimentali, i ricercatori hanno deciso il più coerente di diversi modelli teorici. Hanno scoperto che un modello che tiene conto dei cambiamenti nel fluido normale e incorpora attriti reciproci teoricamente più accurati è il più compatibile con i risultati sperimentali.

«L'oggetto di questo studio, l'interazione tra un vortice quantizzato e un fluido normale, è stato un grande mistero da quando ho iniziato la mia ricerca in questo campo 40 anni fa», ha affermato il professor Tsubota. «I progressi computazionali hanno reso possibile gestire questo problema e il brillante esperimento di visualizzazione dei nostri collaboratori della Florida State University ha portato a una svolta. Come spesso accade nella scienza, i successivi sviluppi tecnologici hanno permesso di chiarire, e questo studio ne è un buon esempio».

Riferimenti:

(1) Imaging quantized vortex rings in superfluid helium to evaluate quantum dissipation

Descrizione foto: Visualizzazione dell'anello di vortice quantizzato sopra il piano (curva verde), anelli di vortice del fluido normale (semicerchi rossastri). - Credit: Makoto Tsubota, OMU.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Finally solved! The great mystery of quantized vortex motion