I ricercatori del FAMU-FSU College of Engineering e del National High Magnetic Field Laboratory hanno nuove informazioni sulla formazione di vortici in un tipo di fluido quantistico, lavoro che potrebbe aiutare la nostra comprensione del mistero della fisica di come si formano gli ammassi di vortici e fornire una preziosa comprensione del movimento vorticoso atmosferico su pianeti come la Terra e Giove.

I ricercatori hanno rivelato una spiegazione alternativa per la formazione dei cosiddetti vortici Onsager in un superfluido bidimensionale, un tipo di fluido quantistico che può fluire senza attrito. I loro risultati sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .

"Questa scoperta ci fornisce una nuova spiegazione su come potrebbero formarsi questi vortici ed è un passo importante per continuare a migliorare la nostra comprensione della fisica quantistica, " disse Wei Guo, professore associato in ingegneria meccanica e capo ricercatore dello studio.

Nel 1949, Il premio Nobel Lars Onsager ha proposto una semplice teoria relativa alla nostra comprensione del moto vorticoso nei fluidi 2D turbolenti, che sono fluidi costretti a muoversi in uno spazio bidimensionale.

La teoria di Onsager dice che quando l'energia viene aggiunta costantemente in un fluido turbolento 2D con piccoli vortici caotici (formalmente chiamati vortici), quei vortici che ruotano nella stessa direzione si raggrupperebbero per formare vortici persistenti su larga scala quando l'energia è sufficientemente alta. Questi ammassi o vortici su larga scala sono noti come "vortici Onsager". La Grande Macchia Rossa di Giove è un buon esempio.

"La teoria di Onsager richiede l'aggiunta di energia al fluido 2D, "Guo ha detto. "Tuttavia, pubblicazioni recenti hanno rivelato che nei condensati di Bose-Einstein 2D (BEC), I vortici di Onsager possono apparire spontaneamente senza input di energia. Abbiamo deciso di fare ulteriori indagini su questi risultati sorprendenti".

Il BEC è uno stato della materia in cui atomi o molecole identici sono confinati da un laser o da una trappola magnetica e raffreddati quasi allo zero assoluto. Le particelle nello stato BEC occupano lo stesso livello di energia meccanica quantistica e possono esibire comportamenti superfluidi, come scorrere senza l'apparente perdita di energia cinetica e ruotare attorno a minuscoli tubi cavi chiamati tubi a vortice. Con una trappola appropriata, un BEC può essere limitato ad avere una forma di disco quasi 2D, questo è, una forma di piccolo spessore ma di grande raggio. I tubi a vortice in un BEC 2D appaiono come minuscoli vortici puntiformi, che può servire come banco di prova ideale per la teoria di Onsager.

"Una spiegazione ben accettata dell'aspetto spontaneo dei vortici Onsager nei BEC del disco 2D è il meccanismo di riscaldamento evaporativo, " ha detto Guo. "Questo meccanismo si riferisce a ciò che i fisici chiamano annientamento del vortice, cioè quando una coppia di vortici con rotazioni opposte si fondono e scompaiono, proprio come una carica positiva neutralizza con una carica negativa."

"Mentre i vortici si annientano, l'energia per vortice aumenta, che porta alla formazione di vortici Onsager, " disse Toshiaki Kanai, uno studente di ricerca laureato che lavora con Guo presso il National High Magnetic Field Laboratory.

Però, in una simulazione numerica eseguita da Kanai e Guo mentre studiavano il moto vorticoso turbolento in 2D, con BEC confinati sulla superficie di una sfera, hanno scoperto che i vortici Onsager non si sono mai formati nonostante l'annientamento delle coppie di vortici. I ricercatori hanno quindi condotto uno studio comparativo sulla dinamica del vortice sia nei BEC del disco che nei BEC del guscio sferico.

"Abbiamo finalmente capito che la formazione spontanea dei vortici Onsager non è dovuta al meccanismo di riscaldamento evaporativo ben accettato, " ha detto Guo. "Il vero meccanismo è l'uscita dei vortici dal confine 2D BEC."

Il disco BEC ha una circonferenza dove possono uscire i vortici, mentre il guscio sferico BEC non ha confini. Perciò, I vortici di Onsager si osservano solo nei BEC del disco ma non nei gusci sferici dei BEC, secondo i ricercatori.

"Identificare il vero meccanismo per la formazione spontanea dei vortici Onsager nei BEC 2D rappresenta un importante progresso nella nostra comprensione della turbolenza superfluida 2D, " Guo ha detto. "Le nostre scoperte sui vortici puntiformi su una sfera possono rappresentare un modello concettualmente interessante di un'atmosfera planetaria, e questi risultati possono essere testati sperimentalmente presso il laboratorio spaziale della NASA".

La NASA ha recentemente installato un laboratorio di atomi freddi presso la Stazione Spaziale Internazionale, che ha reso possibile la produzione di BEC con geometria a guscio sferico. I futuri studi sperimentali a gravità zero potrebbero aiutare a far progredire la scienza in questo campo.