Знаменитая картина Ван Гога «Звездная ночь» уже более ста лет трогает сердца бесчисленных любителей искусства. Вихревое и турбулентное ночное небо, кажется, имеет интригующий резонанс с текстурой квантовой турбулентности в физике. Исследовательская группа из Государственного университета Осаки в Японии и Корейского института науки и технологий впервые наблюдала «квантовую нестабильность Кельвина-Гельмгольца» (KHI) в квантовых жидкостях и обнаружила новую вихревую структуру, напоминающую серп луны в «Звездном небе», а именно эксцентрические дробные скирмионы (EFS).
Это явление было теоретически предсказано десятилетия назад, но никогда не наблюдалось непосредственно экспериментально. Соответствующая статья опубликована в свежем номере журнала Nature Physics.
KHI — важное явление в классической механике жидкости. Когда на границе встречаются две жидкости с разными скоростями, образуются волны и вихри. Это явление можно найти в надуваемых ветром волнах, катящихся облаках и даже в кружащемся небе Звездной ночи. Исследовательская группа задалась вопросом: могут ли подобные нестабильности возникать в квантовых жидкостях?
Чтобы проверить эту идею, команда охладила атомарный газ лития почти до абсолютного нуля, приготовила многокомпонентный конденсат Бозе-Эйнштейна (квантовую сверхтекучую жидкость) и образовала в нем две жидкости с разными скоростями. На их границе впервые появилась волнистая пальцеобразная структура, похожая на классическую турбулентность; затем под действием квантовой механики и топологических правил рождались особые вихри.
Команда обнаружила, что эти вихри представляют собой ранее неизвестный топологический дефект, известный как эксцентричные дробные скирмионы. В отличие от обычных симметричных центрированных скирмионов, EFS имеет форму мениска и содержит встроенные особенности. Эти точки нарушают исходную спиновую структуру, вызывая резкие искажения. Говорили, что полумесяц в правом верхнем углу картины «Звездное небо» похож на ЭФС.
Скирмионы были впервые обнаружены в магнитных материалах. Благодаря своей высокой стабильности, небольшому размеру и уникальным динамическим свойствам они привлекли большое внимание в области спинтроники и памяти. Открытие нового типа скирмиона в сверхтекучих средах не только дает новые идеи для смежных технологий, но и помогает расширить понимание квантовых систем.
В будущем команда планирует провести более точные измерения, чтобы проверить теоретические предсказания XIX века о длине волны и частоте интерфейсных волн, вызванных KHI.