Картина Ван Гога подсказала физикам, как выглядит новый квантовый вихрь

Ученые впервые наблюдали новый тип квантовой турбулентности, вдохновленный картиной Винсента ван Гога «Звездная ночь». Исследование, опубликованное в Nature Physics, демонстрирует удивительную связь между классическим искусством и современными открытиями в квантовой физике.

В центре внимания — явление, известное как нестабильность Кельвина–Гельмгольца (НКГ). В обычном мире НКГ возникает, когда два потока жидкости или газа движутся с разной скоростью, создавая волны и завихрения — это можно увидеть на поверхности воды, в облаках или океанских волнах. Но вопрос ученых заключался в следующем: а может ли НКГ проявляться в квантовых жидкостях?

Квантовые жидкости — это особые состояния вещества, например, бозе-эйнштейновский конденсат, где частицы ведут себя как единое целое, подчиняясь законам квантовой механики. Такие жидкости не имеют вязкости и крайне чувствительны к изменениям, из-за чего наблюдать в них классические эффекты очень сложно.

Исследователи из Университета Осаки (Япония) создали систему из атомов лития, охлажденных до почти абсолютного нуля, что позволило им получить двухкомпонентный бозе-эйнштейновский конденсат. В этом состоянии два «потока» частиц двигались друг относительно друга с разной скоростью. На границе их соприкосновения стали появляться волны — первые признаки НКГ, но в квантовом варианте.

Однако главное открытие — это появление новых квантовых вихрей, называемых эксцентрическими дробными скирмионами (ЭДС).

Скирмионы — это особые структуры с закрученным спиновым состоянием, уже известные в физике. Но ЭДС отличаются тем, что имеют несимметричную, полулунную форму и содержат особые точки, где обычная структура нарушается. Ученый Хиромитсу Такеучи отметил:

«Большая луна в форме полумесяца в правом верхнем углу «Звездной ночи» ван Гога выглядит точно как ЭДС, это удивительно!».

Эти скирмионы несут половину элементарного заряда и представляют собой новый класс топологических дефектов, которые не вписываются в существующие классификации. Это открывает новые горизонты для понимания квантовых систем и их нелинейной динамики.

Кроме того, скирмионы уже рассматриваются как перспективные объекты для спинтроники — области, где управление спинами частиц может привести к созданию более быстрых и энергоэффективных устройств хранения и обработки данных. Найденный новый тип скирмионов в квантовой жидкости может дать новые пути для таких технологий.

Ученые планируют продолжать эксперименты, чтобы проверить старинные теоретические предсказания о длинах волн и частотах волн Кельвина–Гельмгольца, а также исследовать, появляются ли подобные вихри в других квантовых системах.