Ciò che accade esattamente all'interno delle stelle di neutroni, lo stadio finale di una stella gigante, è soggetto a speculazioni. In termini di fisica, gli interni delle stelle di neutroni, i gas atomici freddi e i sistemi nucleari hanno tutti una cosa in comune:sono sistemi gassosi costituiti da elementi altamente interattivi, fermioni superfluidi. I ricercatori hanno alimentato il supercomputer Piz Daint con un nuovo metodo di simulazione, ei risultati stanno finalmente offrendo informazioni sui processi sconosciuti di tali sistemi.

stelle di neutroni, i gas atomici freddi e i sistemi nucleari sono tutti sistemi gassosi costituiti da elementi altamente interattivi, fermioni superfluidi, cioè sistemi la cui materia è costituita da particelle con spin semiintero (momento angolare intrinseco). La categoria dei fermioni comprende gli elettroni, protoni e neutroni. A temperature molto basse, questi sistemi sono descritti come superfluidi, il che significa che le particelle in esse contenute non generano alcun attrito interno e possiedono la proprietà di una conduttività termica quasi perfetta.

Questi gas di Fermi superfluidi non si comportano secondo le leggi della fisica classica, ma piuttosto può essere meglio descritto usando le leggi della meccanica quantistica. Gabriel Wlazłowski, un assistente professore presso la Warsaw University of Technology e l'Università di Washington a Seattle, e il suo team hanno recentemente sviluppato un nuovo metodo basato sulla teoria del funzionale della densità (DFT). Con l'aiuto del supercomputer Piz Daint, mirano a creare una descrizione estremamente precisa di questi sistemi di fermioni superfluidi e della loro dinamica. In altre parole, descriveranno come si formano e decadono i vortici in questa "nube atomica". I risultati sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .

Simile a una festa di ballo popolare

Nei gas di Fermi superfluidi, fermioni individuali e fermioni correlati si trovano uno accanto all'altro. Dalle correlazioni tra particelle con spin opposti, emergono le proprietà superconduttive dei materiali. fermioni correlati, come gli elettroni nei superconduttori, esistono in coppia come condensato e sono chiamate coppie di Cooper. Ogni coppia può muoversi attraverso il sistema senza perdita di energia. Però, per molti anni è stato studiato cosa succede nei casi di squilibrio di spin, perché non tutte le particelle possono trovare un partner con spin opposto per formare la coppia di Cooper. "La situazione è simile a una festa di danza popolare, dove il numero di uomini e donne è squilibrato, qualcuno sarebbe frustrato perché non può formare una coppia, " dice Wlazłowski. Cosa fanno gli atomi spaiati? Questo è esattamente ciò che i ricercatori hanno studiato.

Una descrizione accurata dei gas di Fermi superfluidi, soprattutto dei sistemi sbilanciati di spin, è stato in precedenza molto difficile. Lo squilibrio di spin si verifica quando un sistema è influenzato da un campo magnetico, dice Gabriel Wlazłowski. L'obiettivo del ricercatore ora è applicare il formalismo DFT alle stelle di neutroni e alle magnetar – stelle di neutroni con un forte campo magnetico – per prevedere cosa succede all'interno. "Chiaramente, non c'è modo di sondare esplicitamente gli interni delle stelle. Così, dobbiamo affidarci a simulazioni, per i quali abbiamo bisogno di strumenti affidabili, " dice Wlazłowski. Pertanto, i ricercatori stavano cercando un sistema terrestre che condivida molte somiglianze con il sistema di destinazione. "Si scopre che i gas atomici ultrafreddi che interagiscono fortemente sono molto simili alla materia dei neutroni".

Per i loro esperimenti numerici, i ricercatori hanno utilizzato la descrizione teorica quantistica più completa attualmente disponibile per i sistemi a molti corpi per descrivere questo tipo di sistema. Ciò ha permesso loro di produrre una teoria DFT più approfondita per i sistemi superfluidi. Lo hanno anche combinato con una speciale approssimazione della densità locale superfluida dipendente dal tempo per un gas di Fermi unitario con sbilanciamento dello spin. "Senza approssimazione, la DFT superconduttiva porterà a equazioni integro-differenziali che sono irraggiungibili anche per i supercomputer a esascala, " dice Wlazłowski. Con il loro studio attuale, i ricercatori sono ora in grado di dimostrare che questa approssimazione funziona molto bene nei sistemi considerati.

Correlazione tra simulazione ed esperimento

"Creando una visualizzazione dei calcoli e confrontando queste immagini con le foto degli esperimenti, siamo stati in grado di osservare direttamente questi sistemi di meccanica quantistica, " afferma Wlazłowski. "Il confronto tra i risultati teorici e sperimentali ha prodotto correlazioni eccellenti". Ciò ha permesso ai ricercatori di offrire la prova che il loro nuovo metodo per calcolare il comportamento di tali sistemi funziona. Il passo successivo sarà per loro applicare il metodo ai processi che non sarà mai visibile ad occhio nudo, come quelle all'interno delle stelle di neutroni.

Un'altra scoperta importante è arrivata dalle osservazioni dei ricercatori di tre diversi modelli di decadimento dei vortici nei superfluidi. Secondo i ricercatori, i vari pattern di decadimento (vedi figura) dipendono dalla polarizzazione di spin delle particelle del sistema. Dicono anche che la polarizzazione è causata dall'effetto di risucchio delle particelle spaiate nel gas superfluido. In altre parole:la natura cerca di raccogliere particelle spaiate nelle regioni, dove non ostacolano il flusso. I nuclei dei vortici quantizzati sono tali luoghi, e la polarizzazione dei diversi vortici dovrebbe quindi impedire loro di legarsi nuovamente, o almeno così prevedono i ricercatori. Presumono quindi che gli effetti di polarizzazione abbiano una notevole influenza sui fenomeni quantistici e porteranno a nuovi, aree della fisica ancora da scoprire. "Però, solo per dimostrare che riproduciamo alcuni dati non è sufficiente:possiamo prevedere qualcosa di completamente nuovo?", si chiese Wlazłowski. Per lui, il prossimo importante ostacolo da superare sarà scoprire se il metodo ha potere predittivo.

Questo tipo di problema altamente complesso richiede un'enorme potenza di calcolo. tecnicamente, i ricercatori risolvono centinaia di migliaia di equazioni differenziali parziali 3-D accoppiate non lineari dipendenti dal tempo (PDE). Per questa ragione, gli autori dello studio hanno presentato una richiesta di tempo di calcolo alla Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE) e hanno ottenuto l'accesso per utilizzare Piz Daint al CSCS, perché, secondo gli autori, in Europa solo il Piz Daint può gestire questo tipo di calcoli.