Formazione spontanea di un vortice quantico a carica multipla in un condensato di polaritoni pompato ad anello mediante integrazione numerica delle eq. (3) e (4). Le istantanee della densità (riga superiore) e della fase (riga inferiore) vengono mostrate nelle varie fasi della formazione della condensa. Per chiarezza, ogni profilo di densità viene ridimensionato ai massimi unitari. I profili di pompaggio sono sovrapposti in nero (in unità di P), che mostra la separazione spaziale tra la pompa e la condensa. (a) All'inizio della formazione di condensa, grazie alla geometria della pompa, l'interferenza dell'onda di materia porta a zeri anulari nella funzione d'onda. (b) Queste singolarità dell'anello sono instabili rispetto all'instabilità dinamica, diventano asimmetrici e si può osservare che si rompono in vortici unitari più stabili mentre la condensa continua a svilupparsi. (c) La condensa riempie una regione a forma di disco con quasi uniformità all'interno della pompa ad anello, ma i vortici rimanenti interagiscono caoticamente. La turbolenza del vortice alla fine decade, lasciando una carica topologica netta [48, 49]. Ripetendo queste simulazioni con diverse condizioni iniziali casuali, la grandezza e il segno della vorticità finale variano. Qui,
Chi ha drenato una vasca da bagno o ha mescolato la panna nel caffè ha visto un vortice, una formazione ubiquitaria che appare quando il fluido circola. Ma a differenza dell'acqua, i fluidi governati dalle strane regole della meccanica quantistica hanno una restrizione speciale:come fu predetto per la prima volta nel 1945 dal futuro premio Nobel Lars Onsager, un vortice in un fluido quantistico può ruotare solo di unità intere.
Si prevede che queste strutture rotanti siano ampiamente utili per studiare qualsiasi cosa, dai sistemi quantistici ai buchi neri. Ma mentre il vortice quantico più piccolo possibile, con una singola unità di rotazione, è stato visto in molti sistemi, i vortici più grandi non sono stabili. Mentre gli scienziati hanno tentato di costringere vortici più grandi a tenersi insieme, i risultati sono stati misti:quando si sono formati i vortici, la severità dei metodi utilizzati ha generalmente distrutto la loro utilità.
Ora, Samuel Alperin e la professoressa Natalia Berloff dell'Università di Cambridge hanno scoperto un meccanismo teorico attraverso il quale i vortici quantistici giganti non solo sono stabili, ma si formano da soli in fluidi altrimenti quasi uniformi. Le scoperte, pubblicato sulla rivista ottica , potrebbe aprire la strada a esperimenti che potrebbero fornire informazioni sulla natura dei buchi neri rotanti che hanno somiglianze con i vortici quantistici giganti.
Per fare questo, i ricercatori hanno utilizzato un ibrido quantistico di luce e materia, chiamato polaritone. Queste particelle si formano illuminando la luce laser su materiali appositamente stratificati. "Quando la luce rimane intrappolata negli strati, la luce e la materia diventano inseparabili, e diventa più pratico considerare la sostanza risultante come qualcosa di distinto dalla luce o dalla materia, pur ereditando le proprietà di entrambi, " disse Alperin, un dottorato di ricerca studente presso il Dipartimento di Matematica Applicata e Fisica Teorica di Cambridge.
Una delle proprietà più significative dei polaritoni deriva dal semplice fatto che la luce non può essere intrappolata per sempre. Un fluido di polaritoni, che richiede un'alta densità delle particelle esotiche, espelle continuamente luce, e deve essere alimentato con luce fresca dal laser per sopravvivere. "Il risultato, " disse Alperin, "è un fluido che non si lascia mai depositare, e che non ha bisogno di obbedire a quelle che di solito sono le restrizioni di base in fisica, come la conservazione dell'energia. Qui l'energia può cambiare come parte della dinamica del fluido."
Sono stati proprio questi flussi costanti di luce liquida che i ricercatori hanno sfruttato per consentire la formazione dell'inafferrabile vortice gigante. Invece di puntare il laser sul fluido polaritone stesso, la nuova proposta ha la luce a forma di anello, causando un flusso interno costante simile a come l'acqua scorre verso lo scarico di una vasca da bagno. Secondo la teoria, questo flusso è sufficiente per concentrare qualsiasi rotazione in un unico vortice gigante.
"Che il vortice gigante possa davvero esistere in condizioni suscettibili del loro studio e uso tecnico è stato abbastanza sorprendente, "Alperin ha detto, "ma in realtà va solo a dimostrare quanto sia completamente distinta l'idrodinamica dei polaritoni dai fluidi quantistici più ben studiati. È un territorio eccitante".
I ricercatori affermano di essere solo all'inizio del loro lavoro sui vortici quantistici giganti. Sono stati in grado di simulare la collisione di diversi vortici quantici mentre danzano l'uno intorno all'altro con velocità sempre crescente fino a quando non si scontrano per formare un unico vortice gigante analogo alla collisione dei buchi neri. Hanno anche spiegato le instabilità che limitano la dimensione massima del vortice mentre esploravano l'intricata fisica del comportamento del vortice.
"Queste strutture hanno alcune proprietà acustiche interessanti:hanno risonanze acustiche che dipendono dalla loro rotazione, quindi cantano informazioni su se stessi, — disse Alperin. — Matematicamente, è abbastanza analogo al modo in cui i buchi neri rotanti irradiano informazioni sulle proprie proprietà".
I ricercatori sperano che la somiglianza possa portare a nuove intuizioni sulla teoria della fluidodinamica quantistica, ma dicono anche che i polaritoni potrebbero essere uno strumento utile per studiare il comportamento dei buchi neri.
