- Osservata per la prima volta l’instabilità quantistica Kelvin-Helmholtz: scienza e arte si incontrano in uno studio rivoluzionario.
Un team internazionale di fisici dell’Università Metropolitana di Osaka e del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ha ottenuto un risultato senza precedenti: l’osservazione sperimentale dell’instabilità quantistica di Kelvin-Helmholtz (KHI) in laboratorio. Un fenomeno della dinamica dei fluidi che, sorprendentemente, si riflette anche nell’arte di Vincent van Gogh.
Che cos’è l’instabilità di Kelvin-Helmholtz
L’instabilità di Kelvin-Helmholtz si verifica quando due fluidi scorrono a velocità differenti, generando onde e vortici lungo la loro superficie di contatto. Questo effetto è visibile in natura in molteplici forme: nelle onde del mare, nelle nubi turbolente e perfino nei modelli di flusso presenti nella celebre opera “La notte stellata” di Van Gogh.
La scoperta in laboratorio: un superfluido quantistico
Per replicare l’instabilità in un contesto quantistico, i ricercatori hanno raffreddato atomi di litio quasi fino allo zero assoluto, creando un condensato di Bose-Einstein multicomponente – uno stato della materia superfluido. All’interno di questo sistema, due correnti scorrevano a velocità differenti, dando origine a una digitazione ondulata al confine tra le due componenti.
Questa instabilità ha prodotto strutture complesse che, secondo le leggi della meccanica quantistica e della topologia, hanno evoluto in vortici quantistici esotici chiamati skyrmion fraccionali eccentrici (SFE).
Skyrmion fraccionali eccentrici: vortici quantistici ispirati a Van Gogh
Gli SFE si distinguono dagli skyrmion tradizionali per la loro forma a mezzaluna e per le singolarità interne, ovvero punti in cui la struttura di spin si rompe generando distorsioni estreme. Secondo il professor Hiromitsu Takeuchi dell’Università Metropolitana di Osaka, uno degli autori principali dello studio:
“Gli skyrmion tradizionali sono simmetrici e centrati, ma gli SFE sono a forma di mezzaluna e contengono punti singolari dove la configurazione abituale si interrompe. La grande luna crescente visibile in alto a destra in La notte stellata somiglia in modo sorprendente a uno SFE”.
“La notte stellata”: arte e scienza in dialogo
La notte stellata, dipinta da Vincent van Gogh nel 1889 durante la sua permanenza in un sanatorio a Saint-Rémy, è oggi uno dei simboli più iconici dell’arte moderna. L’opera, custodita al Museum of Modern Art (MoMA) di New York, ritrae un paesaggio notturno dominato da stelle vorticose e una luna crescente, elementi che evocano turbulenze fluide e schemi dinamici oggi compresi dalla fisica.
Il dipinto misura 73,7 cm per 92,2 cm ed è realizzato a olio su tela. Le stelle con aloni luminosi e la luna prominente nel cielo in movimento trovano ora un parallelo visivo con gli SFE individuati in laboratorio. Il contrasto con il villaggio statico sottostante accentua il simbolismo e il potere visivo dell’opera.
Nuove frontiere per la fisica dei superfluidi e la tecnologia quantistica
La scoperta di questi skyrmion in un superfluido quantistico rappresenta una potenziale svolta per il futuro della spintronica, dei dispositivi di memoria quantistica e della fisica dei sistemi complessi. Tradizionalmente, gli skyrmion erano osservati in materiali magnetici, apprezzati per la loro stabilità, le dimensioni ridotte e il comportamento dinamico unico.
Ora, con l’introduzione degli SFE, si aprono nuove possibilità per lo sviluppo di memorie quantistiche di nuova generazione e per lo studio di sistemi topologici multicomponente.
Prossimi obiettivi: verificare le previsioni del XIX secolo
Il gruppo di ricerca giapponese-coreano intende ora perfezionare gli esperimenti per testare le previsioni ottocentesche sulla lunghezza d’onda e la frequenza delle onde generate dalla KHI. Come afferma Takeuchi:
“Con misurazioni più precise, potremo finalmente verificare le previsioni del XIX secolo sull’andamento delle onde di interfaccia causate dall’instabilità di Kelvin-Helmholtz”.
Riflessioni teoriche e nuovi orizzonti
Dal punto di vista teorico, gli skyrmion fraccionali eccentrici rappresentano una sfida alle classificazioni topologiche tradizionali. Le loro singolarità interne sollevano interrogativi inediti e stimolano l’esplorazione di strutture analoghe in altri sistemi fisici, inclusi quelli a più componenti o con dimensioni superiori.
Scienza e arte: un connubio inatteso
Questa scoperta rappresenta un affascinante punto d’incontro tra ricerca scientifica avanzata e espressione artistica. I motivi dinamici presenti nel capolavoro di Van Gogh trovano ora un corrispettivo nel mondo microscopico dei superfluidi quantistici.
La connessione tra le leggi della natura e le creazioni umane sottolinea quanto sia profondo il legame tra bellezza, scoperta e mistero dell’universo.