Il vortice della ricerca

Vortici, spirali e cerchi concentrici hanno un fascino particolare. Dall’universo, all’atmosfera; dall’arte, alla vita di tutti i giorni. Le loro spire voluttuose che tendono all’infinito portano a riflettere sulle origini dell’universo, su mondi sconosciuti e sul significato empirico della loro esistenza.

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I vortici sembrano ricorrere davvero ovunque e sono fenomeni che in natura si presentano nei più diversi ambiti. Le galassie hanno forma circolare o a spirale, i buchi neri possono ruotare su sé stessi; tornadi e cicloni sono i vortici per eccellenza! E se pensate che i vortici che governano le nostre vite e possono essere studiati da scienziati e ricercatori siano finiti, vi sbagliate. La loro forma più particolare e che ancora oggi fa “girare la testa” nel vero senso della parola a fisici e matematici, sono i vortici quantici.

Questi particolari fenomeni, sono quantizzati, con dei numeri che rappresentano la carica angolare del vortice. Diciamo che i numeri quantici indicano quante “spire” compie un’onda luminosa o un fluido composto. Infatti questa tipologia di vortici può essere indotta sia nelle onde elettromagnetiche che eccitando un fluido di luce e materia, ma il loro comportamento riserva continue sorprese, come quelle rivelate pochi giorni fa.

Il gruppo CNR Nanotec di Lecce, del quale vi avevamo presentato uno dei ricercatori, Lorenzo Dominici, in collaborazione con l’Università Autonoma di Madrid, l’Università Federico II di Napoli, l’Università Sorbonne di Parigi e lo University College London, ha studiato e sperimentato il comportamento dei vortici quantici indotti in un fluido polaritonico.

Stiamo parlando di vortici, ma non per questo devono venirci le vertigini! Proviamo a spiegarci meglio!

Il gruppo di ricerca leccese è partito dal fatto che ogni vortice, sia esso quantico o di altro genere, implica un centro di rotazione. Lo studio delle dinamiche dei vortici quantici deve tenere in conto che nel suo centro esso aumenta la velocità insieme al fluido che lo circonda.

CNR Nanotec ha impresso questo genere di vortici in un fluido polaritonico, un termine fantascientifico che indica un fluido composto da luce e materia, e ne ha studiato l’evoluzione. I ricercatori hanno così scoperto che queste tipologie di vortici evolvono all’interno del fluido, grazie alle repulsioni e attrazioni interne allo stesso e che queste interazioni possono in alcuni casi dare vita a nuovi vortici e in altri ad annullarne. In ogni caso, che i vortici si moltiplichino o vengano distrutti e si annullino, quello originale impresso all’inizio degli esperimenti rimane stabile nel sistema sperimentale composto da vortice quantico e fluido polaritonico. Questo studio dimostra non solo che il vortice quantico permane quando impresso in un fluido, ma anche che il suo comportamento può essere assimilabile a quello di una particella elementare: il suo centro (chiamato singolarità di fase) è puntiforme e possiede una carica (quella quantica angolare, per l’appunto). La creazione di una coppia di vortice-antivortice potrebbe essere associata alla creazione di una coppia di particelle di materia-antimateria, perlomeno come analogia mentale.

Un’affascinante scoperta, che è valsa la pubblicazione sulla rivista specializzata Science Advances, con un articolo dal titolo Vortex and half-vortex dynamics in a nonlinear spinor quantum fluid .

Ma come viene utilizzata o potrà essere utilizzata?

Ci ha risposto Lorenzo Dominici. “I vortici di luce trovano già applicazione, ad esempio per un maggiore controllo della manipolazione di cellule o microparticelle, nelle cosiddette pinzette ottiche, o anche nelle osservazioni astronomiche, per aumentarne la risoluzione spaziale. Un applicazione più avveniristica, sarebbe quella di usare gli stati quantizzati dei vortici in computer ottici quantistici”.

Computer? E ora che cosa c’entrano? Esisteranno a breve computer che sfruttano l’energia e le potenzialità di questi vortici di luce?

“Diciamo che le proposte già ci sono – continua Dominici – e che se riuscissimo a immagazzinare in un determinato stato di vortice le informazioni presenti in un flusso di dati come quello che gestiscono i computer, allora sì, potrebbe essere facile utilizzarli per fabbricare macchine quantiche molto potenti e velocissime nella rielaborazione dei dati. La logica potrebbe essere anche di tipo multilivello, cioè, invece che essere basata su dei bit di uno e zero, potrebbe avere diversi valori associati alla carica o numero quantico del vortice”.

Sono molte ora le domande che scaturiscono da questo breve articolo.

Lorenzo, ma quindi questi vortici potrebbero essere utilizzati anche nella nano-chirurgia?

“A pensarci bene credo proprio che qualche applicazione in medicina o nano-chirurgia potrebbe essere implementata in futuro. Basti pensare che molti composti organici o biologici sono come delle eliche che ruotano a destra o sinistra, destrogire o levogire appunto, ma in natura ne prevale solo una dei due tipi. Sebbene questo aspetto sia più legato alla polarizzazione della luce, cioè dell’onda, la loro risposta potrebbe avere dei legami anche con gli stati di vortice. In ogni caso, se il raggio laser è usato per incidere o tagliare un tessuto, ad esempio, l’azione di un raggio standard è assimilabile a quella di un martello pneumatico mentre quella di un raggio con vortice è più simile a quella di un trapano che ruota la sua punta. Lo stesso nel caso in cui fosse usato per saldare due tessuti invece.”

Cosa manca per poterne sfruttare le caratteristiche nella vita quotidiana? Come procederanno i vostri studi?

“Noi facciamo molta ricerca di base, anche se piuttosto avanzata. Le implementazioni spettano più a un contesto ingegneristico/industriale. Tuttavia, grazie anche alle facilities e all’expertise degli altri gruppi dell’Istituto di Nanotecnologia, e alle collaborazioni interne al CNR o esterne con i vari gruppi internazionali, siamo anche orientati ai dispositivi, in particolare fotonici e nano-strutturati. Nel caso dei vortici, un primo passo sarebbe quello di renderli duraturi nel tempo e studiarne la stabilità, per realizzare una potenziale memorie, e poi capire in che modo possono interagire fra di loro, cosa che normalmente avviene attraverso le cosiddette proprietà non-lineari, per realizzare invece un elaboratore, o computer.”

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