In un nuovo studio, gli scienziati della Aalto University in Finlandia hanno dimostrato come tre vortici possono essere collegati in modo da impedire che vengano smantellati.
Una particolare struttura protetta collega i nodi vichinghi ai vortici quantistici
Curiosamente, la struttura dei collegamenti ricorda uno schema utilizzato dai vichinghi e da altre culture antiche. Tuttavia, questo studio si è concentrato sui vortici in una forma speciale di materia nota come condensato di Bose-Einstein. I risultati hanno implicazioni per l’informatica quantistica, la fisica delle particelle e altri campi.
Il ricercatore post-dottorato Toni Annala ha utilizzato stringhe e vortici d’acqua per spiegare il fenomeno: “Se crei una struttura di collegamento con tre stringhe ininterrotte in un cerchio, non puoi sbrogliarla perché la stringa non può passare attraverso un’altra stringa. Se invece la stessa struttura circolare è realizzata in acqua, i vortici d’acqua possono scontrarsi e fondersi se non sono protetti”.
“In un condensato di Bose-Einstein, la struttura di collegamento è da qualche parte tra i due”, ha dichiarato Annala, che ha iniziato a lavorare su questo fenomeno nel gruppo di ricerca del professor Mikko Möttönen alla Aalto University prima di tornare all’Università della British Columbia e poi all’Institute for Studio avanzato a Princeton. Nello studio è stato coinvolto anche Roberto Zamora-Zamora, ricercatore post dottorato nel gruppo di Möttönen.
I ricercatori hanno dimostrato matematicamente l’esistenza di una struttura di vortici collegati che non possono rompersi a causa delle loro proprietà fondamentali. “L’elemento nuovo qui è che siamo stati in grado di costruire matematicamente tre diversi vortici di flusso che erano collegati ma non potevano attraversarsi l’un l’altro senza conseguenze topologiche. Se i vortici si compenetrano, all’intersezione si forma una corda che lega insieme i vortici e consuma energia. Ciò significa che la struttura non può rompersi facilmente”, ha affermato Möttönen.
Dall’antichità ai filamenti cosmici
La struttura è concettualmente simile agli anelli borromei, uno schema di tre cerchi interconnessi che è stato ampiamente utilizzato nel simbolismo e come stemma. Un simbolo vichingo chiamato valknut, che a volte è associato a Odino, ha tre triangoli intrecciati in modo simile. Se uno dei cerchi o dei triangoli viene rimosso, l’intero motivo si dissolve perché i due rimanenti non sono collegati direttamente. Ogni elemento collega così i suoi due partner, stabilizzando la struttura nel suo insieme.
L’analisi matematica di questa ricerca mostra come potrebbero esistere strutture altrettanto robuste tra vortici annodati o collegati. Tali strutture potrebbero essere osservate in alcuni tipi di cristalli liquidi o sistemi di materia condensata e potrebbero influenzare il comportamento e lo sviluppo di tali sistemi.
“Con nostra sorpresa, questi collegamenti e nodi topologicamente protetti non erano stati inventati prima. Ciò è probabilmente dovuto al fatto che la struttura del collegamento richiede vortici con tre diversi tipi di flusso, il che è molto più complesso rispetto ai sistemi a due vortici considerati in precedenza”, ha detto Möttönen.
Queste scoperte potrebbero un giorno aiutare a rendere il calcolo quantistico più accurato. Nel calcolo quantistico topologico, le operazioni logiche verrebbero eseguite intrecciando diversi tipi di vortici l’uno attorno all’altro in vari modi. “Nei liquidi normali, i nodi si dipanano, ma nei campi quantistici possono esserci nodi con protezione topologica, come stiamo scoprendo ora”, ha affermato Möttönen.
Annala ha aggiunto che “lo stesso modello teorico può essere utilizzato per descrivere strutture in molti sistemi diversi, come le stringhe cosmiche in cosmologia”. Le strutture topologiche utilizzate nello studio corrispondono anche alle strutture del vuoto nella teoria quantistica dei campi. I risultati potrebbero quindi avere implicazioni anche per la fisica delle particelle.
Successivamente, i ricercatori hanno in programma di dimostrare teoricamente l’esistenza di un nodo in un condensato di Bose-Einstein che sarebbe topologicamente protetto contro la dissoluzione in uno scenario fattibile sperimentalmente. “L’esistenza di nodi topologicamente protetti è una delle questioni fondamentali della natura. Dopo una dimostrazione matematica, possiamo passare alle simulazioni e alla ricerca sperimentale”, ha concluso Möttönen.
Fonte: Communications Physics
