Un’esplorazione delle instabilità di Kelvin-Helmholtz attraverso fluidi quantistici
I ricercatori dell’Istituto nazionale di ottica del Consiglio nazionale delle ricerche di Sesto Fiorentino (Cnr-Ino) e dell’Università di Firenze, con il supporto di colleghi dall’Università di Trieste e dall’Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia Ulsan in Corea del Sud, nonché dall’Università dei Paesi Baschi, hanno fatto un importante avanzamento nel campo della simulazione quantistica.
Attraverso un esperimento rivoluzionario, essi sono riusciti a simulare l’instabilità di Kelvin-Helmholtz, un fenomeno critico nella formazione della turbolenza in fluidodinamica, utilizzando un simulatore quantistico atomico.
Questo esperimento si è avvalso di due anelli superfluidi di atomi di litio ultrafreddi, mantenuti a temperature vicine allo zero assoluto, per imitare e studiare le interazioni complesse dei fluidi in condizioni estreme, una frontiera finora poco esplorata a causa delle limitazioni delle tecniche numeriche tradizionali. I risultati di questo studio, pubblicati sulla prestigiosa rivista Nature Physics, dimostrano per la prima volta l’efficacia dei simulatori quantistici atomici nell’osservazione e comprensione delle dinamiche dei fluidi quantistici.
Diego Hernandez Rajkov, ricercatore associato al Cnr-Ino e dottorando presso il Laboratorio LENS dell’Università degli studi di Firenze, ha descritto il processo di osservazione della formazione e interazione di un anello di vortici quantizzati. Questi vortici, perdendo stabilità, hanno dato luogo a una dinamica complessa che rispecchia l’instabilità di Kelvin-Helmholtz osservata nei fluidi classici.
Il fenomeno, che deve il suo nome ai fisici Lord Kelvin e Hermann von Helmholtz, è noto per la sua prevalenza in diversi ambienti naturali come l’atmosfera terrestre, gli oceani e le formazioni stellari. I risultati della ricerca stabiliscono un legame importante tra i comportamenti dei fluidi classici e quantistici, proponendo che i vortici quantizzati possono essere interpretati sia come indicatori sia come generatori della dinamica fluidodinamica sottostante.
Francesco Marino, primo ricercatore del Cnr-Ino e coautore dello studio, ha evidenziato come i risultati non solo confermano le teorie classiche delle instabilità, ma aprono anche nuove prospettive sul loro studio nei contesti quantistici.
Giacomo Roati, dirigente di ricerca del Cnr-Ino e coordinatore del progetto, ha sottolineato il potenziale rivoluzionario della simulazione quantistica per esplorare fenomeni complessi e per applicazioni future in campi diversi come la meteorologia e la geofisica.
Questo studio rappresenta un significativo passo avanti nell’uso della tecnologia quantistica per il miglioramento della nostra comprensione dei fenomeni naturali e potrebbe aprire la strada a importanti scoperte e applicazioni interdisciplinari in futuro.
