Ricerca. Creato il primo moto turbolento in un fluido di luce

Uno studio del gruppo di fotonica avanzata dell’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche di Lecce (Cnr-Nanotec), svolto in collaborazione con colleghi di istituzioni polacche e inglesi, ha fornito un importante contributo alla comprensione di uno dei problemi piu’ complicati della fisica: il moto turbolento dei fluidi.

Utilizzando l’approccio della fisica quantistica, il team e’ riuscito, infatti, a creare e osservare, per la prima volta, un moto turbolento in un fluido di luce: un risultato che apre la strada a un nuovo campo di ricerca che unisce le potenzialita’ della fotonica per studiare la turbolenza con una precisione mai raggiunta, descrivendo processi che spaziano dall’aerodinamica di un aeroplano al flusso del sangue nelle nostre arterie, dallo studio del campo magnetico terrestre alle eruzioni della corona solare.

Il lavoro, frutto della collaborazione con i gruppi teorici dell’Istituto di Fisica della Polish Academy of Sciences (Varsavia, Polonia) e del Dipartimento di Fisica e Astronomia del University College London (London, UK), e’ pubblicato sulla rivista Nature Photonics.

“Sebbene il moto turbolento sia regolato da equazioni molto note in fisica, la difficolta’ del problema risiede nella non linearita’ di queste equazioni rispetto alla velocita’ del fluido e nell’ampia gamma di scale spaziali coinvolte: questi due elementi rendono difficile simulare numericamente la dinamica turbolenta, anche usando i potentissimi computer oggi a disposizione”, spiega Dario Ballarini, primo ricercatore del Cnr-Nanotec.

“Oggi, la novita’ del nostro studio consiste nell’aver indagato la turbolenza da un nuovo punto di vista, studiando il fenomeno in un nuovo sistema, i fluidi quantistici di luce. Per creare un fluido quantistico di luce bisogna unire le proprieta’ di coerenza della luce con le forti interazioni tipiche della materia, e per fare cio’ e’ necessario ibridizzare i fotoni (particelle quantizzate di luce, n.d.r) con gli elettroni. Noi realizziamo questi fluidi quantistici intrappolando sia la luce che gli elettroni all’interno di speciali dispositivi noti come microcavita’ di semiconduttore”.

In passato, il fenomeno della turbolenza e’ stato descritto da un punto di vista statistico, ipotizzando la presenza di “cascate di energia”.

In tre dimensioni, il flusso di energia va dalle grandi scale alle piccole scale, cioe’ vortici di grandi dimensioni si dividono via via in vortici piu’ piccoli, fino a raggiungere le scale spaziali microscopiche dove l’energia viene finalmente dissipata in calore.

Uno degli aspetti piu’ affascinanti e ancora non del tutto risolto del moto turbolento e’ l’osservazione che questa cascata di energia appare “invertita” in fluidi confinati in due dimensioni, ad esempio nel moto turbolento di una lamina sottile di fluido.

Qui, infatti, vortici sempre piu’ grandi si formano a partire da vortici piu’ piccoli e creano grandi strutture stabili nel tempo: una “cascata inversa” di energia che descrive, ad esempio, il meccanismo alla base dell’accumulo di plastiche negli oceani o la stabilita’ delle strutture vorticose che si estendono per migliaia di chilometri nell’atmosfera terrestre e in pianeti come Giove e Saturno.

I ricercatori del Cnr-Nanotec sono riusciti ad osservare il fenomeno della cascata inversa di energia e la formazione di cluster di vortici dello stesso segno in un fluido quantistico di luce, dimostrando che anche in due dimensioni la turbolenza quantistica e quella classica condividono gli stessi processi fondamentali.

“Il nostro studio prende le mosse dai risultati ottenuti negli anni ’90 sul controllo dei fluidi quantistici con elevati livelli di precisione, sia con l’elio superfluido che con la realizzazione di condensati di Bose-Einstein di atomi”, precisa Daniele Sanvitto, direttore di ricerca del gruppo.

“Questo ha permesso di mettere in pratica le idee di Onsager e Feynmann, che avevano introdotto lo studio della turbolenza quantistica. In un fluido quantistico, i vortici sono quantizzati e consentono di sviluppare modelli di turbolenza semplificati (point-vortex model), suggerendo che la comprensione della turbolenza quantistica possa servire per catturare gli aspetti essenziali e ancora misteriosi della turbolenza nei fluidi classici. La possibilita’ di misurare la velocita’ di un fluido quantistico di luce e di seguire il movimento dei vortici quantistici in questi sistemi ottici offre, pertanto, notevoli speranze per la comprensione di questo fenomeno”.

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