Three-observable measurement of the critical velocity in a paraxial superfluid of light flowing past a mobile impurity

Immaginate un fiume che scorre senza mai perdere energia per attrito, un ruscello che scivola intorno alle rocce senza creare scie o increspature. Questo è il mondo strano della superfluidità, uno stato della materia in cui la meccanica quantistica prende il sopravvento e permette ai fluidi di muoversi con un'efficienza perfetta. Per decenni, gli scienziati hanno studiato questo fenomeno in contesti esotici, come l'elio liquido raffreddato vicino allo zero assoluto o nubi di atomi raffreddate a temperature più fredde dello spazio profondo. Più recentemente, i ricercatori hanno scoperto che la luce stessa può comportarsi come un tale fluido. Quando un raggio laser attraversa un materiale speciale, i fotoni — le particelle di luce — possono interagire tra loro, creando un flusso collettivo che imita il comportamento di un superfluido. Questo "superfluido di luce" offre un laboratorio unico per i fisici per testare le regole dell'idrodinamica quantistica senza la necessità del freddo estremo richiesto dai gas atomici.

La domanda centrale in questo campo è semplice ma profonda: quanto velocemente può scorrere questo fluido senza attrito prima di rompersi? Esiste un limite di velocità teorico, noto come velocità critica, oltre il quale il fluido non è più in grado di mantenere il suo stato perfetto e privo di dissipazione. Una volta che il flusso supera questa velocità, inizia a perdere energia, spesso creando piccoli vortici rotanti chiamati vortici. Comprendere esattamente quando e come avviene questa transizione è fondamentale per mappare i confini del comportamento quantistico. Sebbene le prime teorie abbiano fornito una stima di base per questo limite di velocità, esse spesso non riuscivano a tenere conto della realtà disordinata degli ostacoli nel flusso. Quando un superfluido incontra un oggetto, l'interazione è raramente semplice, e la velocità reale alla quale il fluido si rompe può essere significativamente inferiore alla previsione ideale.

Un team di ricercatori in Francia, Italia e Portogallo ha affrontato ora questo problema con un approccio nuovo, utilizzando un fascio di luce che scorre attraverso una nuvola calda di gas di rubidio. Invece di affidarsi a una singola misurazione per determinare quando il superfluido si rompe, hanno ideato un metodo che osserva tre cose diverse accadere contemporaneamente. Il loro obiettivo era trovare il momento preciso in cui il fluido transita da un moto fluido e senza attrito a uno stato turbolento e dissipativo mentre si muove accanto a un ostacolo in movimento. Attraverso il controllo incrociato di questi tre segnali indipendenti, hanno creato un quadro molto più affidabile della velocità critica rispetto a quanto fosse possibile in precedenza.

L'esperimento è stato costruito attorno a un ingegnoso setup ottico. I ricercatori hanno generato un foglio bidimensionale di luce, che fungeva da superfluido, inviando un raggio laser attraverso una cella riscaldata riempita di vapore di rubidio. Per creare l'ostacolo, o "impurezza", hanno sovrapposto un secondo raggio laser più stretto al flusso principale. Questo secondo raggio è stato sintonizzato su un colore specifico che ha causato il riarrangiamento degli atomi nel gas, scavando efficacemente un foro repulsivo e impenetrabile nel percorso del raggio di luce principale. Questo foro agiva come un oggetto solido attorno al quale il superfluido doveva scorrere. Fondamentalmente, questo ostacolo non era fisso in posizione; aveva una massa finita e poteva muoversi, permettendo ai ricercatori di osservare come il fluido e l'oggetto interagissero dinamicamente.

Per trovare la velocità critica, il team ha variato la velocità del flusso di luce modificando leggermente l'angolo del laser in entrata. Mentre aumentavano la velocità, monitoravano tre segni distinti di problemi. Il primo segno era la comparsa di vortici. In un superfluido perfetto, il flusso è liscio e uniforme. Ma una volta superata la velocità critica, il fluido inizia a emettere coppie di minuscoli vortici contrarorotanti nella scia dell'ostacolo. I ricercatori contavano questi vortici, cercando l'istante esatto in cui appariva la prima coppia.

Il secondo segno era la forza esercitata sull'ostacolo. In un vero superfluido, un oggetto che si muove attraverso il fluido non avverte alcuna resistenza; scivola senza attrito. Tuttavia, una volta superata la velocità critica e formati i vortici, il fluido inizia a tirare l'ostacolo, creando una forza misurabile. Il team ha misurato questa forza idrodinamica, osservando il momento in cui essa saltava improvvisamente da zero a un valore positivo, indicando che il fluido stava ora trascinando l'oggetto a monte rispetto al flusso.

Il terzo segno era il movimento dell'ostacolo stesso. Poiché l'ostacolo aveva una massa, la forza del fluido poteva effettivamente spingerlo. I ricercatori hanno tracciato la posizione dell'ostacolo rispetto al flusso. Finché il fluido rimaneva superfluido, l'ostacolo restava fermo. Ma nel momento in cui il flusso diventava turbolento, la forza dei nuovi vortici formati spingeva l'ostacolo all'indietro, facendolo scivolare nella direzione opposta al flusso.

Confrontando i risultati di questi tre metodi, i ricercatori hanno trovato una storia sorprendentemente coerente. Tutti e tre gli indicatori puntavano alla stessa velocità critica, confermando che la transizione era reale e non solo un artefatto di una singola tecnica di misurazione. Scoprirono che la velocità critica era sempre inferiore al massimo teorico previsto dai modelli semplici. Inoltre, scoprirono che la dimensione dell'ostacolo era importante: più grande era l'ostacolo, minore era la velocità alla quale il superfluido si rompeva. Un oggetto più largo disturbava maggiormente il flusso, rendendo più facile per il fluido perdere il suo stato senza attrito.

Lo studio ha anche chiarito che la rottura della superfluidità in questo sistema è guidata dalla creazione di questi vortici quantizzati, piuttosto che dall'emissione di onde sonore, che è ciò che accade in altri regimi più deboli. Il team ha notato che, sebbene i loro risultati fossero in linea con le tendenze generali previste dalla teoria per oggetti grandi e impenetrabili, i numeri esatti erano influenzati dalla forma liscia e specifica del loro ostacolo ottico e dal complesso modo in cui la luce e gli atomi interagivano nel vapore caldo. Questi fattori rendevano difficile un incontro perfetto, uno a uno, con i modelli matematici idealizzati, ma il comportamento generale era esattamente quello che ci si aspetterebbe da un superfluido che scorre davanti a una barriera solida.

Questo lavoro stabilisce un nuovo standard per la misurazione della velocità critica nei superfluidi di luce. Utilizzando tre modi diversi per osservare lo stesso evento, i ricercatori hanno fornito un parametro di riferimento robusto e auto-coerente su cui i futuri studi potranno fare affidamento. Le loro scoperte confermano che i superfluidi parassiali di luce sono una piattaforma potente e versatile per esplorare la fisica fondamentale dei fluidi quantistici. La capacità di regolare la dimensione dell'ostacolo e la velocità del flusso con alta precisione permette agli scienziati di sondare il delicato equilibrio tra ordine e caos nei sistemi quantistici, offrendo una finestra chiara su come la superfluidità fallisca e su come l'energia venga dissipata nel mondo quantistico.