Generazione controllata di vortici 3D in giunzioni Josephson atomiche

Un team internazionale di ricercatori coordinato dal Prof. Luigi Amico (DFA UniCT, INFN Sez. Catania, e TII, Abu Dhabi)  ha  messo a punto un nuovo metodo per creare e controllare vortici quantistici tridimensionali ‘on demand’, segnando un significativo passo avanti nella fisica dei fluidi quantistici e nell'atomtronica. Pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), lo studio apre nuove prospettive sia per la scienza fondamentale che per le applicazioni nel campo delle tecnologie quantistiche.

I vortici classici sono presenti in un'ampia varietà di esperienze quotidiane, che spaziano dai mulinelli che possiamo osservare nei fluidi ordinari (ad esempio acqua) alle rotazioni su larga scala dei sistemi meteorologici atmosferici. La dinamica dei vortici gioca un ruolo importante in diversi fenomeni cruciali nella scienza di base e nella tecnologia, per esempio attraverso la fisica della turbolenza che, a propria volta, determina resistenze aerodinamiche fino ai complessi processi di miscelazione nei reattori industriali. Nonostante i significativi progressi compiuti nel corso degli anni, una comprensione esauriente della dinamica dei vortici rimane elusiva.

Nel regno quantistico, la circolazione della materia attorno ai cores dei vortici quantistici può avvenire solo secondo ‘quanti’ fissi e discreti. Oltre che nei superfluidi neutri, questi fenomeni sono rilevanti anche per altri sistemi fisici, dai   superconduttori alle stelle di neutroni. La dinamica dei vortici nei fluidi quantistici costituisce uno dei problemi più formidabili e più dibattuto nella fisica moderna.

Il team dimostra come la dinamica dei vortici nei fluidi quantistici possa essere analizzata con grande controllo e precisione attraverso un dispositivo che impiega un superfluido neutro di atomi ultrafreddi — stati della materia in cui gli atomi si muovono collettivamente senza attrito. In questo modo, il dispositivo è capace di ‘programmare’ la generazione di vortici quantistici tridimensionali in maniera deterministica, così aprendo la strada ad una nuova generazione di esperimenti. 

Il lavoro si sviluppa a partire dai precedenti lavori dello stesso team recentemente pubblicati su Science (Science 390, 1125-1129 (2025), Science 390, 1130-1133 (2025)), che hanno riportato la prima osservazione sperimentale dei cosidetti ‘Shapiro steps’ in una giunzione Josephson atomica— l'analogo atomico della giunzione Josephson superconduttiva che è alla base dei cquantum computers e che gioca un ruolo impoortante anche in metrologia. 

Il Prof. Luigi Amico commenta: "Le giunzioni Josephson atomiche sono diventate una delle piattaforme di punta dell'atomtronica e sono risulate offrire  percorsi efficaci per la comprensione della fisica dei dispositivi superconduttori a livello microscopico. In particolare, questo lavoro dimostra che esse possono fare molto di più che trasportare atomi: possono ingegnerizzare stati quantistici topologici su richiesta. Ciò apre prospettive interessanti per la simulazione quantistica, la sensoristica di precisione e le future tecnologie quantistiche".

I risultati arrivano in un momento di rapida crescita dell'interesse internazionale per l'atomtronica — il campo emergente che cerca di costruire dispositivi quantistici utilizzando atomi ultrafreddi anziché elettroni. I vortici quantistici controllati potrebbero diventare componenti chiave per i futuri sensori quantistici, i sistemi di navigazione inerziale, i simulatori quantistici analogici e i circuiti programmabili a fluidi quantistici, fornendo al contempo una piattaforma ideale per lo studio della turbolenza e della dinamica non lineare in condizioni di laboratorio precisamente controllate.