Вихревые узоры на картине Винсента Ван Гога «Звёздная ночь» помогают визуализировать квантовую неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (KHI). Центральная спираль и окружающие звёзды напоминают вихри, образующиеся на границе двух жидкостей. Полумесяц на картине даже может намекать на серповидные скирмионы, наблюдаемые в квантовой KHI.
Автор: Public Domain Картина Ван Гога «Звёздная ночь» уже более века вдохновляет ценителей искусства. Теперь её закрученные небеса могут говорить и с физиками, так как они отражают узоры квантовой турбулентности. Физики из Университета Осаки и Корейского института передовых технологий впервые успешно наблюдали квантовую неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (KHI) — явление, предсказанное десятилетия назад, но ранее не замеченное в квантовых жидкостях.
Эта неустойчивость создаёт экзотические вихревые узоры, известные как эксцентричные дробные скирмионы (EFS), чьи серповидные структуры напоминают луну на шедевре Ван Гога.
KHI — классическое явление в гидродинамике, где волны и вихри образуются на границе двух жидкостей, движущихся с разной скоростью — как в океанских волнах, закрученных облаках или небесах Ван Гога. «Наше исследование началось с простого вопроса: может ли неустойчивость Кельвина-Гельмгольца возникать в квантовых жидкостях?» — сказал Хиромицу Такеучи, доцент Высшей школы науки Университета Осаки и один из ведущих авторов исследования.
Охладив газ лития почти до абсолютного нуля, учёные создали многокомпонентный конденсат Бозе-Эйнштейна — квантовую сверхтекучую жидкость — с двумя потоками, движущимися с разными скоростями. На их границе возник волнообразный узор, отражающий классическую турбулентность, но затем образовались вихри, подчиняющиеся странным законам квантовой механики и топологии. Эти вихри оказались эксцентричными дробными скирмионами (EFS) — новым видом топологического дефекта.
«Обычно скирмионы симметричны и центрированы, — объяснил Такеучи. — Но EFS имеют серповидную форму и содержат встроенные сингулярности — точки, где обычная спиновая структура разрушается, создавая резкие искажения. Для меня большой полумесяц в правом верхнем углу «Звёздной ночи» выглядит в точности как EFS». Скирмионы, впервые обнаруженные в магнитных материалах, привлекают всё больше внимания для использования в спинтронике и устройствах памяти благодаря своей стабильности, малому размеру и необычной динамике.
Открытие нового типа скирмиона в сверхтекучей жидкости может иметь значение как для прикладных технологий, так и для понимания квантовых систем. В дальнейшем команда планирует уточнить свои измерения. «С более точными экспериментами мы сможем проверить предсказания XIX века о длине волны и частоте KHI-индуцированных волн», — отметил Такеучи. Исследователи также видят более широкий теоретический потенциал. «EFS бросают вызов традиционным топологическим классификациям, — сказал Такеучи. — Их встроенные сингулярности поднимают новые вопросы, и мы надеемся изучить, возникают ли подобные структуры в других многокомпонентных или многомерных системах».
