La teoria della turbolenza, uno dei pilastri della fisica dei fluidi da oltre ottant’anni, potrebbe non essere così rigida come si è sempre pensato. Un gruppo di ricercatori dell’Università di Pittsburgh, in collaborazione con colleghi dell’Università di Torino, ha dimostrato che la direzione del flusso di energia all’interno di un sistema turbolento può essere modificata, e persino invertita. Una scoperta che, se confermata su larga scala, potrebbe cambiare il modo in cui si affrontano problemi enormi: dalle correnti oceaniche alla modellazione del clima, fino ad applicazioni in campo medico.

Per capire la portata della cosa, bisogna fare un passo indietro. Dal 1941, grazie al lavoro di Andrey Kolmogorov, la comunità scientifica ha dato per assodato un principio fondamentale: nei flussi tridimensionali, come quelli che si osservano negli oceani o nell’atmosfera, l’energia si muove dalle strutture più grandi verso quelle più piccole. In pratica, i grandi vortici si frammentano in vortici via via più piccoli, fino a dissipare tutta la loro energia. Nei flussi bidimensionali, invece, accade il contrario. Questa regola ha guidato decenni di ricerca. E nessuno, fino a oggi, l’aveva messa seriamente in discussione.

Il meccanismo che cambia le regole del gioco

Il merito va a Lei Fang, professore di ingegneria civile e ambientale a Pittsburgh, insieme al dottorando Xinyu Si e ai ricercatori italiani Filippo De Lillo e Guido Boffetta. Fang ha riformulato il problema del flusso energetico turbolento in termini meccanici, basandosi sulle equazioni di Navier Stokes. L’intuizione chiave? Se il trasferimento di energia è un processo meccanico, allora può essere manipolato cambiando la geometria tra forza e spostamento.

Lo strumento matematico utilizzato sono i tensori, oggetti che descrivono grandezze come stress e deformazione nei fluidi. Fang ha sviluppato un framework geometrico basato sull’allineamento di questi tensori e ha scoperto che, in determinate condizioni, la direzione del trasferimento energetico può essere reindirizzata. Non è più un percorso obbligato. Per verificare la teoria, il team ha condotto esperimenti in laboratorio usando uno strato sottile d’acqua sottoposto a forze elettromagnetiche, con particelle traccianti per visualizzare il movimento del fluido. I risultati sperimentali hanno confermato le simulazioni al computer e le previsioni del nuovo modello.

Dalle onde del mare ai dispositivi medici

Le ricadute pratiche potrebbero essere notevoli. Fang ha spiegato che, attraverso questo framework teorico, è possibile usare piccole barriere fisiche, nell’ordine di una decina di metri, per perturbare le barriere di trasporto oceanico che si estendono per chilometri. Questo aprirebbe scenari interessanti per la gestione delle coste, ad esempio nel migliorare la dispersione di acque reflue o contaminanti.

Ma c’è un altro campo dove la teoria della turbolenza rivisitata potrebbe fare la differenza: la microfluidica. Nei canali più piccoli di un millimetro, la viscosità del liquido rende il mescolamento estremamente difficile perché la turbolenza è praticamente assente. Allineando forze e spostamento in modo specifico, si potrebbe generare una forma debole di turbolenza capace di accelerare il mescolamento di agenti chimici o biologici. Un vantaggio enorme per la diagnostica medica e la somministrazione di farmaci.

E poi c’è la questione climatica. Le correnti oceaniche e la circolazione atmosferica sono fondamentali nella regolazione delle temperature globali. Se i cambiamenti climatici alterano i pattern del vento e il comportamento degli oceani, comprendere come le forze in gioco modificano il flusso energetico turbolento potrebbe portare a modelli climatici decisamente più accurati. Per ora resta un’ipotesi, come lo stesso Fang ha precisato, ma le basi scientifiche ci sono. La teoria della turbolenza, insomma, si è dimostrata più flessibile di quanto chiunque avesse immaginato negli ultimi otto decenni.

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I tornado ottici sono appena diventati realtà, e la cosa più sorprendente è il modo in cui ci si è arrivati. Un gruppo di scienziati è riuscito a creare dei fasci di luce che si avvitano su se stessi, proprio come piccoli vortici, utilizzando un sistema basato su cristalli liquidi che ha del geniale nella sua semplicità. Niente nanotecnologie ultracomplesse, niente apparecchiature da laboratorio fantascientifico. Solo strutture che si organizzano da sole e fanno il lavoro sporco al posto nostro.

Il punto di partenza sono i cosiddetti toron, strutture tridimensionali che si formano spontaneamente all’interno dei cristalli liquidi. Questi toron funzionano come delle trappole per la luce: la catturano e la costringono a spiralare, a ruotare in schemi complessi che fino a poco tempo fa richiedevano dispositivi molto più sofisticati per essere ottenuti. Il bello è che tutto questo avviene sfruttando la naturale tendenza dei cristalli liquidi ad auto organizzarsi, senza bisogno di forzature esterne particolari.

Perché questi tornado ottici cambiano le regole del gioco

La vera notizia nella notizia, quella che ha fatto drizzare le orecchie alla comunità scientifica, riguarda lo stato energetico in cui tutto questo accade. I ricercatori sono riusciti a generare questi tornado ottici nello stato più stabile e a più bassa energia della luce. Tradotto in parole semplici: produrre fasci con queste proprietà diventa enormemente più facile e pratico. Si apre la strada alla creazione di fasci laser con caratteristiche di rotazione che prima erano accessibili solo attraverso percorsi tecnologici tortuosi e costosi.

Quando si parla di luce che ruota, si entra nel territorio del cosiddetto momento angolare orbitale, una proprietà che ha applicazioni potenziali enormi: dalle telecomunicazioni ottiche di nuova generazione alla manipolazione di particelle microscopiche, fino alla microscopia avanzata. Il fatto che ora si possano ottenere questi tornado ottici con un setup relativamente semplice rende queste applicazioni molto più vicine alla realtà quotidiana della ricerca e, un domani, della tecnologia commerciale.

Un approccio che ribalta le aspettative

C’è qualcosa di poetico nel fatto che una delle scoperte più eleganti nel campo dell’ottica recente arrivi non da un aumento di complessità, ma da una sua riduzione. I cristalli liquidi li conosciamo tutti, anche se magari non ce ne rendiamo conto: sono la tecnologia dietro gli schermi dei nostri dispositivi. Scoprire che possono anche generare vortici di luce controllati, sfruttando strutture che si assemblano da sole, è il tipo di risultato che ricorda quanto la fisica sappia ancora sorprendere. I tornado ottici, insomma, non sono più un esperimento da fantascienza. Sono qui, e sono nati da qualcosa che avevamo già sotto gli occhi.

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Dentro minuscoli dischi magnetici grandi poche centinaia di nanometri si nascondono stati di oscillazione mai osservati prima, capaci di collegare tra loro tecnologie che oggi parlano lingue completamente diverse. La scoperta arriva dai laboratori dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Germania, dove un gruppo di ricercatori ha identificato i cosiddetti stati di Floquet all’interno di vortici magnetici ultrasottili, e lo ha fatto con una quantità di energia ridicolmente bassa. Parliamo di microwatt, meno di quanto consuma uno smartphone in standby. I risultati, pubblicati sulla rivista Science il 27 marzo 2026, ribaltano alcune convinzioni consolidate nella fisica dei materiali magnetici e aprono scenari concreti per il futuro dell’elettronica, della spintronica e delle tecnologie quantistiche.

Ma facciamo un passo indietro. I vortici magnetici si formano in dischi ultrasottili realizzati con leghe come il nichel e ferro. All’interno di queste strutture, i momenti magnetici si dispongono a spirale, un po’ come tante bussole microscopiche che seguono un percorso circolare. Quando qualcosa li disturba, si genera un’onda che si propaga da un momento all’altro, creando una reazione a catena. Queste eccitazioni collettive si chiamano magnoni, e la cosa interessante è che possono trasportare informazione senza bisogno di spostare cariche elettriche. Una proprietà che li rende estremamente appetibili per chi lavora su tecnologie di calcolo di nuova generazione.

Un pettine di frequenze dove nessuno se lo aspettava

Il team guidato dal dottor Helmut Schultheiß stava lavorando su dischi magnetici sempre più piccoli, nell’ordine di poche centinaia di nanometri, con l’obiettivo di esplorare possibili applicazioni nel campo del computing neuromorfico, cioè quel tipo di elaborazione ispirata al funzionamento del cervello. Durante l’analisi dei dati, però, è saltato fuori qualcosa di strano. Invece del classico segnale di risonanza singolo, alcuni dischi producevano una serie di righe spettrali ravvicinate, un fenomeno noto come pettine di frequenze. All’inizio sembrava un artefatto, un’interferenza qualsiasi. Ma ripetendo l’esperimento il risultato tornava, identico. A quel punto era chiaro che si trattava di qualcosa di genuinamente nuovo.

La spiegazione affonda le radici nel lavoro del matematico francese Gaston Floquet, che nell’Ottocento dimostrò come sistemi sottoposti a forze periodiche possano sviluppare stati di oscillazione completamente inediti. Finora, per creare questi stati servivano impulsi laser potentissimi. Qui invece bastano i magnoni: quando vengono sufficientemente eccitati, trasferiscono parte della loro energia al nucleo del vortice, che inizia a muoversi lungo un percorso circolare microscopico. Quel movimento, per quanto minimo, altera ritmicamente lo stato magnetico del sistema e genera il pettine di frequenze osservato.

Poca energia, enormi possibilità

L’aspetto forse più sorprendente di tutta la faccenda è proprio il consumo energetico. Mentre i metodi precedenti richiedevano laser ad alta potenza, qui si parla di microwatt. Questo apre prospettive concrete: i pettini di frequenze generati dai vortici magnetici potrebbero funzionare come una sorta di adattatore universale, capace di sincronizzare segnali terahertz ultraveloci con l’elettronica convenzionale o persino con dispositivi quantistici. Schultheiß lo paragona a un adattatore USB che permette a dispositivi con connettori diversi di comunicare tra loro.

Il gruppo di ricerca dell’HZDR intende ora verificare se lo stesso meccanismo funzioni anche con altre strutture magnetiche. Se così fosse, la strada verso sistemi di calcolo ibridi, in cui magnoni, circuiti elettronici e componenti quantistici collaborano senza barriere, sarebbe decisamente più corta di quanto chiunque immaginasse fino a pochi mesi fa.

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Un gruppo di fisici ha ottenuto una conferma sperimentale che si attendeva da decenni: l’osservazione diretta di fasi magnetiche esotiche in un materiale spesso appena pochi atomi. È una di quelle notizie che, nel mondo della fisica della materia condensata, equivale a trovare finalmente le prove di qualcosa che tutti credevano vero ma nessuno era ancora riuscito a dimostrare con i propri occhi. E la cosa interessante è che le implicazioni vanno ben oltre il laboratorio.

La storia parte da un modello teorico degli anni Settanta, noto nella comunità scientifica e considerato un pilastro per capire come si comporta il magnetismo quando lo si confina in sole due dimensioni. Quel modello prevedeva che, raffreddando certi materiali bidimensionali, si sarebbe dovuta osservare una sequenza ben precisa: prima la formazione di minuscoli vortici magnetici, poi una transizione verso un secondo stato magnetico ordinato. Due fasi distinte, una dopo l’altra, in un ordine specifico. Il problema era che nessuno era mai riuscito a vederle entrambe nello stesso esperimento, nello stesso materiale. Fino ad ora.

Vortici magnetici e materiali bidimensionali: cosa cambia adesso

Il team di ricerca ha lavorato con un materiale atomicamente sottile, una di quelle strutture che appartengono alla famiglia dei materiali bidimensionali, parenti stretti del grafene per intenderci. Raffreddando progressivamente il campione, i fisici hanno potuto documentare la nascita spontanea di quei vortici magnetici su scala nanometrica. Strutture eleganti, minuscole spirali di magnetizzazione che si formano come previsto dalla teoria. E poi, continuando a scendere con la temperatura, ecco la transizione: il materiale passa a un secondo stato ordinato, completando la sequenza predetta mezzo secolo fa.

Osservare entrambe le fasi magnetiche nello stesso sistema rappresenta un risultato notevole. Non si tratta solo di dire “la teoria aveva ragione”, che pure è importante. Il punto è che questa conferma apre una finestra concreta su fenomeni fisici che finora erano rimasti confinati nelle equazioni. Sapere che queste fasi esistono davvero, e che si manifestano in materiali reali e manipolabili, cambia la prospettiva su cosa si può fare con il magnetismo in due dimensioni.

Verso tecnologie ultracompatte basate sul controllo magnetico su scala nanometrica

Ed è proprio qui che il discorso si fa pratico. I materiali bidimensionali stanno già attirando enormi investimenti per le loro proprietà elettroniche, ma il lato magnetico era rimasto un po’ indietro, almeno sul piano sperimentale. Questa ricerca colma un vuoto significativo. Se si riesce a controllare le fasi magnetiche esotiche a livello atomico, si possono immaginare dispositivi di memorizzazione dati incredibilmente piccoli, oppure componenti per l’elettronica di nuova generazione che sfruttano il magnetismo invece della carica elettrica.

Non si parla di fantascienza. Il controllo magnetico su scala nanometrica è già un obiettivo dichiarato di diversi programmi di ricerca internazionali. Quello che mancava era proprio una base sperimentale solida per i modelli teorici che guidano lo sviluppo. Adesso quella base esiste.

Certo, dal laboratorio al prodotto commerciale la strada è sempre lunga e piena di ostacoli. Ma avere la prova che un materiale reale si comporta esattamente come predetto da un modello teorico di cinquant’anni fa è il tipo di fondamento su cui si costruiscono le rivoluzioni tecnologiche. I vortici magnetici osservati in questo esperimento non sono solo una curiosità accademica: sono un segnale che la fisica bidimensionale ha ancora molto da offrire, e che le tecnologie ultracompatte basate su questi principi potrebbero essere più vicine di quanto si pensasse anche solo pochi anni fa.

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