Impressione artistica di un fulmine globulare quantistico. Crediti: Heikka Valja.
Per la prima volta, gli scienziati dell’Amherst College e della Aalto University hanno creato in laboratorio uno skyrmione tridimensionale in un gas quantistico, ossia un gas ideale nel quale le particelle che lo compongono sono indistinguibili e vanno trattate nell’ambito della meccanica quantistica. L’esistenza dello skyrmione è stata prevista più di 50 anni fa da Tony Skyrme, ma solo ora lo si è osservato sperimentalmente.
In un gas quantistico estremamente freddo e rarefatto, i fisici sono stati in grado di creare nodi di momenti magnetici intrinseci (o di spin) degli atomi costituenti il gas. I nodi riprodotti mostrano caratteristiche affini a quelle dei fulmini globulari, rari e particolari fenomeni luminosi dell’atmosfera che si presentano come piccole sfere luminose di diametro variabile, che alcuni scienziati ritengono essere costituiti da flussi aggrovigliati di correnti elettriche. La persistenza di tali nodi potrebbe essere la ragione per cui il fulmine globulare, riconducibile a una sfera di plasma, vive per un tempo sorprendentemente lungo in confronto ad un fulmine. I nuovi risultati potrebbero suggerire le modalità con le quali stabilizzare sfere di plasma nei reattori a fusione. «È straordinario avere la possibilità di creare artificialmente un nodo elettromagnetico, in altre parole un fulmine globulare quantistico, utilizzando esclusivamente due correnti elettriche circolanti in verso opposto», afferma Mikko Möttönen, coordinatore del settore teorico presso l’Università Aalto, in Finlandia.
Molte sono le osservazioni di fulmini globulari segnalate nel corso della storia, ma le prove fisiche del fenomeno sono rare. La dinamica del gas quantistico riprodotta in questo studio, corrisponde a quella di una particella carica descritta dai campi elettromagnetici presenti in un fulmine globulare. Il gas quantistico viene raffreddato a una temperatura molto bassa dove forma un condensato di Bose-Einstein, uno stato della materia che si ottiene quando si porta un insieme di bosoni a temperature estremamente vicine allo zero assoluto. In queste condizioni una frazione non trascurabile delle particelle si porta nello stato quantistico di più bassa energia e gli effetti quantistici si manifestano su scala macroscopica. «Nel condensato di Bose-Einstein tutti gli atomi nel gas finiscono nello stato di energia minima. Lo stato non si comporta come un gas normale ma come un singolo atomo gigante» spiega il professor David Hall, coordinatore del gruppo sperimentale presso Amherst College.
Nel condensato di Bose-Einstein, lo skyrmione viene creato prima polarizzando la rotazione di ogni atomo affinché punti verso l’alto, lungo la direzione del campo magnetico applicato. Successivamente, il campo magnetico viene improvvisamente cambiato in modo tale che appaia, nel bel mezzo del condensato, un punto nel quale tale campo si annulla. Di conseguenza, gli spin degli atomi circostanti iniziano a ruotare nella nuova direzione del campo magnetico applicato. Poiché vicino alla regione puntiforme nella quale è stato creato il campo nullo, il campo magnetico punta in tutte le direzioni possibili, gli spin degli atomi si avvolgono in un nodo.
La struttura annodata dello skyrmione consiste in anelli collegati, in ognuno dei quali tutti gli spin puntano lungo una certa direzione prefissata. Il nodo può essere allentato o spostato, ma non slegato. «Ciò che rende questa struttura uno skyrmione piuttosto che un nodo quantistico è che, in questo caso, non solo lo spin ruota ma la fase quantistica del condensato si avvolge ripetutamente», afferma Hall. Nel caso in cui la direzione dello spin cambi nello spazio, la velocità del condensato risponde esattamente come farebbe una particella carica in un campo magnetico. La struttura di spin annodati dà così origine ad un nodo magnetico artificiale che corrisponde esattamente al campo magnetico previsto dal modello dei fulmini globulari. «Sono necessarie ulteriori ricerche per sapere se è possibile creare un vero fulmine globulare con un metodo di questo tipo. Ulteriori studi potrebbero inoltre condurre a una soluzione per mantenere insieme il plasma in maniera efficiente e rendere i reattori a fusione più stabili di quelli che abbiamo adesso» conclude Möttönen.
Nel video riportato qui sotto è possibile vedere una vista laterale della creazione sperimentale di uno skyrmione 3-D. Il metodo di imaging produce tre regioni in cui gli spin puntano verso l’alto (a destra), orizzontalmente (al centro) e verso il basso (a sinistra). Nell’esperimento attuale, c’è solo un condensato che contiene tutte queste diverse regioni. Il colore più chiaro denota la maggiore densità di particelle (crediti: Tuomas Ollikainen).
Per saperne di più:
- Leggi su Science Advances l’articolo “Synthetic Electromagnetic Knot in a Three-Dimensional Skyrmion” di Lee, A.H. Gheorghe, K. Tiurev, T. Ollikainen, M. Möttönen e D.S. Hall.