Se una goccia di panna cade da un cucchiaio in una vorticosa tazza di caffè, il vortice trascina la goccia in rotazione. Ma cosa accadrebbe se il caffè non avesse attrito, nessun modo per tirare la goccia in una centrifuga sincronizzata?

I superfluidi, detti anche fluidi quantistici, sono presenti in un'ampia gamma di sistemi e applicazioni. Per esempio, i superfluidi cosmologici si fondono tra loro durante le fusioni di stelle di neutroni, e gli scienziati usano l'elio superfluido per raffreddare le macchine per la risonanza magnetica (MRI).

I fluidi hanno proprietà uniche e utili governate dalla meccanica quantistica, una struttura solitamente utilizzata per descrivere il regno del molto piccolo. Per i superfluidi, però, queste proprietà quantomeccaniche dominano su un più ampio, scala macroscopica. Per esempio, i superfluidi mancano di viscosità, una sorta di attrito interno che permette al fluido di resistere e provocare movimento.

Questa mancanza di viscosità conferisce ai liquidi capacità insolite, come viaggiare liberamente attraverso i tubi senza perdita di energia o rimanere fermi all'interno di un contenitore rotante. Ma quando si tratta di movimento rotatorio, gli scienziati faticano a capire come i superfluidi rotanti trasferiscano il momento angolare, una qualità che parla della velocità di rotazione dei liquidi.

In un recente studio, scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory hanno collaborato con scienziati del National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) a Tallahassee, Florida, e la Osaka City University in Giappone per eseguire simulazioni al computer avanzate della fusione di superfluidi rotanti, rivelando un peculiare meccanismo a forma di cavatappi che spinge i fluidi in rotazione senza bisogno di viscosità.

Quando una goccia di pioggia rotante cade in uno stagno, la viscosità consente alla goccia di far ruotare l'acqua circostante, generando vortici o correnti parassite nel processo. Questa resistenza viscosa riduce la differenza di movimento tra i due corpi. Un superfluido, però, permette questa differenza.

"Gli atomi rimangono più o meno nello stesso posto quando i superfluidi trasferiscono il momento angolare, a differenza delle correnti parassite nei fluidi classici, " ha detto Dafei Jin, uno scienziato presso il Centro di Argonne per i materiali su nanoscala (CNM), una struttura per gli utenti di DOE Office of Science. "Piuttosto che per convezione di particelle, è più efficiente per gli atomi superfluidi trasferire il momento angolare attraverso interazioni quantomeccaniche".

Queste interazioni quantomeccaniche danno luogo a un effetto ipnotizzante, esibito nelle simulazioni del team eseguite utilizzando il cluster di computer Carbon presso CNM. Gli scienziati hanno simulato la fusione di gocce rotanti e stazionarie di uno stato superfluido della materia chiamato condensato di Bose-Einstein (BEC).

"Abbiamo scelto di simulare i condensati di Bose-Einstein perché sono sistemi superfluidi relativamente generali che mostrano caratteristiche condivise da vari altri fluidi quantistici, " disse Wei Guo, professore alla Florida State University (FSU) e ricercatore al MagLab.

Toshiaki Kanai, uno studente laureato di Guo nel dipartimento di fisica dell'FSU, ha guidato la progettazione delle simulazioni, che modellano l'interazione tra due drop BEC dal momento in cui entrano in contatto fino a quando non si fondono completamente. Tsubota Makoto, un professore all'Università della città di Osaka ed esperto in simulazione di fluidi quantistici, ha inoltre contribuito alla concezione del progetto e all'interpretazione dei risultati.

"Siamo stati particolarmente fortunati a lavorare con Dafei Jin presso CNM, che ci ha aiutato a risolvere molte sfide tecniche, " disse Guo, collaboratore di lunga data di Jin, "e Argonne ha cluster di computer e altre risorse computazionali che ci hanno permesso di eseguire in modo efficiente la simulazione molte volte in condizioni diverse per ottenere risultati sistematici".

Mentre le gocce si avvicinano l'una all'altra, la forma a cavatappi appare spontaneamente e si estende in entrambe le gocce, crescendo in dimensione e influenza fino a quando le due gocce non si mescolano e ruotano alla stessa velocità.

"Non sembra solo un cavatappi:la sua funzionalità è simile, pure, " ha detto Jin. "Trasferisce il momento angolare ruotando nei campioni, inducendoli ad accelerare o rallentare la loro rotazione."

Il risultato della simulazione è applicabile a molti sistemi BEC da laboratorio di varie dimensioni, da decine di nanometri a centinaia di micron, o milionesimi di metri. I risultati sono validi anche per i sistemi superfluidi più grandi. Nonostante le differenze di scala, tutti i sistemi superfluidi presentano proprietà fondamentali comuni legate alla loro natura quantistica.

"Anche se ci siamo concentrati su un sistema molto piccolo, i risultati sono generali, " ha affermato Guo. "Le informazioni che abbiamo acquisito su come si verificano queste interazioni possono aiutare i fisici a informare i modelli di sistemi da atomi ultrafreddi su scala nanometrica a superfluidi su scala cosmologica nei sistemi astrofisici".

Per esempio, l'elio superfluido può esistere alle scale centimetriche e metriche, e i BEC nelle stelle di neutroni possono essere, bene, dimensioni astronomiche. Quando le stelle di neutroni si fondono, si comportano come due molto grandi, gocce di superfluido rotanti per certi aspetti, e la scoperta del meccanismo del cavatappi potrebbe informare i modelli astrofisici di queste fusioni.

Gli scienziati sperano di testare la loro scoperta teorica del meccanismo del cavatappi attraverso esperimenti. I liquidi quantistici hanno implementazioni nei sistemi ad atomi freddi, superfluidi, superconduttori e altro, e la ricerca scientifica di base del loro comportamento aiuterà nello sviluppo delle applicazioni di questi sistemi.