Un'illustrazione che mostra i tubi a vortice quantistico sottoposti a un'apparente superdiffusione. I punti bianchi rappresentano la particella intrappolata che i ricercatori hanno tracciato per visualizzare e tracciare il movimento dei tubi, e le linee rosse rappresentano i modelli casuali che le particelle hanno viaggiato. Credito:per gentile concessione di Wei Guo
Il premio Nobel per la fisica Richard Feynman una volta descrisse la turbolenza come "il più importante problema irrisolto della fisica classica".
Comprendere la turbolenza nei fluidi classici come l'acqua e l'aria è difficile in parte a causa della difficoltà nell'identificare i vortici che vorticano all'interno di quei fluidi. L'individuazione dei tubi di vortice e il monitoraggio del loro movimento potrebbe semplificare notevolmente la modellazione della turbolenza.
Ma quella sfida è più facile nei fluidi quantistici, che esistono a temperature sufficientemente basse che la meccanica quantistica, che si occupa della fisica sulla scala degli atomi o delle particelle subatomiche, ne regoli il comportamento.
In un nuovo studio pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , I ricercatori della Florida State University sono riusciti a visualizzare i tubi del vortice in un fluido quantistico, risultati che potrebbero aiutare i ricercatori a comprendere meglio la turbolenza nei fluidi quantistici e oltre.
"Il nostro studio è importante non solo perché amplia la nostra comprensione della turbolenza in generale, ma anche perché potrebbe giovare agli studi di vari sistemi fisici che coinvolgono anche i tubi vorticosi, come superconduttori e persino stelle di neutroni, " disse Wei Guo, professore associato di ingegneria meccanica presso il FAMU-FSU College of Engineering e ricercatore principale dello studio.
Il team di ricerca ha studiato l'elio-4 superfluido, un fluido quantistico che esiste a temperature estremamente basse e può fluire per sempre in uno spazio ristretto senza apparente attrito.
Il team di Guo ha esaminato le particelle traccianti intrappolate nei vortici e ha osservato per la prima volta che quando apparivano i tubi del vortice, si muovevano in modo casuale e, in media, si allontanarono rapidamente dal punto di partenza. Lo spostamento di questi traccianti intrappolati sembrava aumentare nel tempo molto più velocemente di quello della normale diffusione molecolare, un processo noto come superdiffusione.
L'analisi di ciò che è accaduto li ha portati a scoprire come le velocità dei vortici sono cambiate nel tempo, che è un'informazione importante per la modellazione statistica della turbolenza dei fluidi quantistici.
Da sinistra, Wei Guo, professore associato di ingegneria meccanica presso il FAMU-FSU College of Engineering, e Yuan Tang, un ricercatore post-dottorato presso il National High Magnetic Field Laboratory, davanti alla struttura sperimentale. Credito:per gentile concessione di Wei Guo
"La superdiffusione è stata osservata in molti sistemi come il trasporto cellulare nei sistemi biologici e i modelli di ricerca dei cacciatori-raccoglitori umani, " ha detto Guo. "Una spiegazione consolidata della superdiffusione per le cose che si muovono casualmente è che occasionalmente hanno spostamenti eccezionalmente lunghi, che sono noti come voli Lévy."
Ma dopo aver analizzato i loro dati, Il team di Guo ha concluso che la superdiffusione dei traccianti nel loro esperimento non è stata effettivamente causata dai voli di Lévy. Stava accadendo qualcos'altro.
"Abbiamo finalmente capito che la superdiffusione che abbiamo osservato era causata dalla relazione tra le velocità dei vortici in momenti diversi, " ha detto Yuan Tang, un ricercatore post-dottorato presso il National High Magnetic Field Laboratory e un autore di articoli. "Il movimento di ogni segmento di vortice inizialmente sembrava essere casuale, ma veramente, la velocità di un segmento in una volta era correlata positivamente alla sua velocità nell'istanza successiva. Questa osservazione ci ha permesso di scoprire alcune proprietà statistiche generiche nascoste di un groviglio di vortici casuali caotico, che potrebbe essere utile in più rami della fisica."
A differenza dei fluidi classici, i tubi vortice in elio-4 superfluido sono oggetti stabili e ben definiti.
"Sono essenzialmente piccoli tornado che vorticano in una tempesta caotica ma con nuclei cavi estremamente sottili, " Tang ha detto. "Non puoi vederli ad occhio nudo, nemmeno con il microscopio più potente."
"Per risolvere questo, abbiamo condotto i nostri esperimenti nel laboratorio di criogenia, dove abbiamo aggiunto particelle traccianti in elio per visualizzarle, "aggiunse Shiran Bao, un ricercatore post-dottorato presso il National High Magnetic Field Laboratory e un autore di articoli.
I ricercatori hanno iniettato una miscela di gas deuterio ed elio nell'elio superfluido freddo. All'iniezione, il gas deuterio si è solidificato e ha formato minuscole particelle di ghiaccio, che i ricercatori hanno usato come traccianti nel fluido.
"Proprio come i tornado in aria possono risucchiare le foglie vicine, i nostri traccianti possono anche rimanere intrappolati sui tubi del vortice nell'elio quando sono vicini ai tubi, " disse Guo.
Questa tecnica di visualizzazione non è nuova ed è stata utilizzata dagli scienziati nei laboratori di ricerca di tutto il mondo, ma la svolta che questi ricercatori hanno fatto è stata quella di sviluppare un nuovo algoritmo che ha permesso loro di distinguere i traccianti intrappolati nei vortici da quelli che non erano intrappolati.
