20 marzo 2024 (Notizie Nanowerk) Gli scienziati hanno creato per la prima volta un gigantesco vortice quantistico per imitare un buco nero nell'elio superfluido che ha permesso loro di vedere in maggior dettaglio come si comportano i buchi neri analogici e interagiscono con l'ambiente circostante. Una ricerca condotta dall'Università di Nottingham, in collaborazione con il King's College di Londra e l'Università di Newcastle, ha creato una nuova piattaforma sperimentale: un tornado quantistico. Hanno creato un gigantesco vortice vorticoso all'interno dell'elio superfluido raffreddato alla temperatura più bassa possibile. Attraverso l'osservazione della dinamica delle onde minute sulla superficie del superfluido, il gruppo di ricerca ha dimostrato che questi tornado quantistici imitano le condizioni gravitazionali vicino ai buchi neri rotanti. La ricerca è stata pubblicata in Natura (“Segni spaziotemporali curvi rotanti da un gigantesco vortice quantistico”).
Allestimento sperimentale in laboratorio utilizzato nella ricerca sul buco nero. (Immagine: Leonardo Solidoro) L’autore principale dell’articolo, il dottor Patrik Svancara della Scuola di Scienze Matematiche dell’Università di Nottingham, spiega: “L’uso dell’elio superfluido ci ha permesso di studiare minuscole onde superficiali in maggiore dettaglio e precisione rispetto ai nostri esperimenti precedenti in acqua. Poiché la viscosità dell’elio superfluido è estremamente ridotta, siamo stati in grado di indagare meticolosamente la loro interazione con il tornado superfluido e confrontare i risultati con le nostre proiezioni teoriche”. Il team ha costruito un sistema criogenico su misura in grado di contenere diversi litri di elio superfluido a temperature inferiori a -271 °C. A questa temperatura l'elio liquido acquisisce proprietà quantistiche insolite. Queste proprietà tipicamente ostacolano la formazione di vortici giganti in altri fluidi quantistici come gas atomici ultrafreddi o fluidi quantistici di luce; questo sistema dimostra come l’interfaccia dell’elio superfluido agisca come forza stabilizzante per questi oggetti.
Il dottor Svancara continua: “L’elio superfluido contiene minuscoli oggetti chiamati vortici quantistici, che tendono a diffondersi l’uno dall’altro. Nella nostra configurazione, siamo riusciti a confinare decine di migliaia di questi quanti in un oggetto compatto simile a un piccolo tornado, ottenendo un flusso di vortici con una forza da record nel regno dei fluidi quantistici”. I ricercatori hanno scoperto interessanti paralleli tra il flusso dei vortici e l’influenza gravitazionale dei buchi neri sullo spaziotempo circostante. Questo risultato apre nuove strade per le simulazioni delle teorie dei campi quantistici a temperatura finita nel complesso regno degli spaziotempi curvi.
La professoressa Silke Weinfurtner, che guida il lavoro nel laboratorio Black Hole dove è stato sviluppato questo esperimento, sottolinea il significato di questo lavoro: “Quando abbiamo osservato per la prima volta chiare firme della fisica dei buchi neri nel nostro primo esperimento analogico nel 2017, è stato un momento di svolta”. per comprendere alcuni dei fenomeni bizzarri che spesso sono difficili, se non impossibili, da studiare altrimenti. Ora, con il nostro esperimento più sofisticato, abbiamo portato questa ricerca a un livello superiore, che potrebbe portarci a prevedere come si comportano i campi quantistici nello spaziotempo curvo attorno ai buchi neri astrofisici”. Questa ricerca innovativa è finanziata da una sovvenzione di 5 milioni di sterline da parte del Science Technology Facilities Council, distribuita tra i team di sette importanti istituzioni del Regno Unito, tra cui l'Università di Nottingham, l'Università di Newcastle e il King's College di Londra. Il progetto è stato inoltre sostenuto sia dalla sovvenzione della rete UKRI sui simulatori quantistici per la fisica fondamentale che dalla Leverhulme Research Leaders Fellowship tenuta dalla professoressa Silke Weinfurtner.
Il culmine di questa ricerca sarà celebrato ed esplorato in modo creativo in un'ambiziosa mostra intitolata Cosmic Titans presso la Djanogly Gallery, Lakeside Arts, Università di Nottingham, dal 25 gennaio al 27 aprile 2025 (e in tournée in sedi nel Regno Unito e all'estero). La mostra comprenderà sculture, installazioni e opere d'arte coinvolgenti appena commissionate da artisti di spicco tra cui Conrad Shawcross RA, che risultano da una serie di collaborazioni innovative tra artisti e scienziati facilitate dall'ARTlab Nottingham.
Allestimento sperimentale in laboratorio utilizzato nella ricerca sul buco nero. (Immagine: Leonardo Solidoro) L’autore principale dell’articolo, il dottor Patrik Svancara della Scuola di Scienze Matematiche dell’Università di Nottingham, spiega: “L’uso dell’elio superfluido ci ha permesso di studiare minuscole onde superficiali in maggiore dettaglio e precisione rispetto ai nostri esperimenti precedenti in acqua. Poiché la viscosità dell’elio superfluido è estremamente ridotta, siamo stati in grado di indagare meticolosamente la loro interazione con il tornado superfluido e confrontare i risultati con le nostre proiezioni teoriche”. Il team ha costruito un sistema criogenico su misura in grado di contenere diversi litri di elio superfluido a temperature inferiori a -271 °C. A questa temperatura l'elio liquido acquisisce proprietà quantistiche insolite. Queste proprietà tipicamente ostacolano la formazione di vortici giganti in altri fluidi quantistici come gas atomici ultrafreddi o fluidi quantistici di luce; questo sistema dimostra come l’interfaccia dell’elio superfluido agisca come forza stabilizzante per questi oggetti.
Il dottor Svancara continua: “L’elio superfluido contiene minuscoli oggetti chiamati vortici quantistici, che tendono a diffondersi l’uno dall’altro. Nella nostra configurazione, siamo riusciti a confinare decine di migliaia di questi quanti in un oggetto compatto simile a un piccolo tornado, ottenendo un flusso di vortici con una forza da record nel regno dei fluidi quantistici”. I ricercatori hanno scoperto interessanti paralleli tra il flusso dei vortici e l’influenza gravitazionale dei buchi neri sullo spaziotempo circostante. Questo risultato apre nuove strade per le simulazioni delle teorie dei campi quantistici a temperatura finita nel complesso regno degli spaziotempi curvi.
La professoressa Silke Weinfurtner, che guida il lavoro nel laboratorio Black Hole dove è stato sviluppato questo esperimento, sottolinea il significato di questo lavoro: “Quando abbiamo osservato per la prima volta chiare firme della fisica dei buchi neri nel nostro primo esperimento analogico nel 2017, è stato un momento di svolta”. per comprendere alcuni dei fenomeni bizzarri che spesso sono difficili, se non impossibili, da studiare altrimenti. Ora, con il nostro esperimento più sofisticato, abbiamo portato questa ricerca a un livello superiore, che potrebbe portarci a prevedere come si comportano i campi quantistici nello spaziotempo curvo attorno ai buchi neri astrofisici”. Questa ricerca innovativa è finanziata da una sovvenzione di 5 milioni di sterline da parte del Science Technology Facilities Council, distribuita tra i team di sette importanti istituzioni del Regno Unito, tra cui l'Università di Nottingham, l'Università di Newcastle e il King's College di Londra. Il progetto è stato inoltre sostenuto sia dalla sovvenzione della rete UKRI sui simulatori quantistici per la fisica fondamentale che dalla Leverhulme Research Leaders Fellowship tenuta dalla professoressa Silke Weinfurtner.
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- Fonte: https://www.nanowerk.com/news2/space/newsid=64887.php
