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23 Febbraio 2012 | ultimo aggiornamento circa 14 ore fa
Temi fisica e matematica

Mulinelli di luce: ecco i solitoni

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di Laura Berardi | Pubblicato il 22 Luglio 2011 12:50
Detail-fluido luce

Un superfluido luminoso capace di superare gli ostacoli che incontra senza esserne perturbato, e di dare poi luogo a fenomeni idrodinamici mai osservati prima, detti solitoni: questo l'oggetto dello studio di un team formato da ricercatori dell'Istituto Nazionale di Ottica e dall'Istituto Nanoscienze del Cnr, in collaborazione con due università di Parigi (Paris 6 e Paris 7) e con il Centre National de la Recherche Scientifique (Cnrs). I risultati dell’équipe italo-francese sono pubblicati su Science.

Ma cos’è un superfluido di luce? Si tratta di un fascio molto particolare di luce composto non esattamente da fotoni, ma da altre particelle dal nome particolare, i polaritoni. Queste sono create a partire da elettroni e fotoni, e nel superfluido viaggiano allineate (in fase coerente). Quando questo fascio incontra un ostacolo, non si comporta come la normale luce, ma supera ogni “scoglio” senza produrre onde e mulinelli, continuando a scivolare via, quieto come se sulla sua strada non avesse mai incontrato impedimenti. Questo regime di superfluidità (caratterizzato dall'assenza di viscosità), già largamente studiato dai fisici, si ottiene per velocità relativamente basse (vedi Galileo, “E luce superfluida fu”). 

Secondo la teoria dell'idrodinamica quantistica, quando questi fasci scorrono più veloci ed escono dalla condizione di superfluidità, possono generare vortici e moti turbolenti, e dare luogo ai cosiddetti solitoni: onde localizzate nello spazio che mantengono forma e dimensione invariate nel tempo. Fino a oggi, questi fenomeni erano stati solo predetti, ma mai osservati in laboratorio. “Per la prima volta, abbiamo visto la formazione di lunghi canali persistenti a valle dell'ostacolo, ovvero proprio i solitoni idrodinamici”, ha detto a Galileo Daniele Sanvitto dell'Istituto Nanoscienze del Cnr di Lecce, che ha seguito la parte sperimentale dello studio. “Questi oggetti sono l'analogo quantistico delle onde che si propagano sulla superficie dell'acqua, e danno origine a mulinelli che ruotano a velocità quantizzate, multipli di una delle costanti più famose della meccanica quantistica, la costante di Planck”, ha aggiunto il fisico.

Non è tutto. La superfluidità è uno stato della materia che posseggono alcuni gas, come l’elio, a temperature molto basse, dell'ordine di qualche grado Kelvin. I ricercatori hanno però mostrato che con i fluidi di luce si può ottenere anche fino a temperatura ambiente, o quasi.

Le applicazioni future di questi risultati? Ancora tutte da scoprire, ma potrebbero riguardare la creazione di simulatori quantici, in grado di ricreare le complesse interazioni di sistemi a molti corpi. Altri impieghi potrebbero essere nel campo della telecomunicazioni, con la creazione di una sorta di fibra ottica in cui il segnale non scende mai di intensità e quindi non ha mai bisogno di essere amplificato nuovamente. “È difficile per ora predire per cosa saranno utili questi fluidi luminosi – ha concluso Sanvitto – ma d'altronde, quando furono inventati i laser, per molto tempo si pensò che fossero solo dei giocattoli per scienziati”.

Riferimento: DOI: 10.1126/science.1202307

tags: luce, fisica delle particelle, fisica quantistica

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