Более столетия картина Ван Гога «Звёздная ночь» вызывает сильные эмоции у ценителей искусства. Теперь, благодаря своему завихряющемуся небу, она может заинтересовать и физиков, поскольку оно демонстрирует особенности квантовой турбулентности. Исследователи из Университета Метрополитен в Осаке и Корейского передового института науки и технологий впервые успешно наблюдали квантовую неустойчивость Кельвина — Гельмгольца — явление, предсказанное несколько десятилетий назад, но никогда ранее не наблюдавшееся в квантовых жидкостях. Неустойчивость приводит к образованию экзотических вихревых структур, известных как эксцентричные дробные скирмионы, чьи серповидные формы напоминают луну на шедевре Ван Гога.
Капиллярная волна представляет собой известное явление в гидродинамике, характеризующееся формированием волн и вихрей на границе раздела двух жидкостей, движущихся с различной скоростью. Подобные явления можно увидеть в океанских волнах, создаваемых ветром, в клубящихся облаках или на небесах, запечатленных в работах Ван Гога.
«Мы начали наше исследование с простого вопроса: возможно ли возникновение неустойчивости Кельвина — Гельмгольца в квантовых жидкостях?» — заявил Хиромицу Такеучи, доцент Высшей школы естественных наук Университета Метрополитен в Осаке.
Охлаждение литиевых газов почти до абсолютного нуля позволило ученым создать многокомпонентный конденсат Бозе — Эйнштейна — квантовую сверхтекучую жидкость, в которой два потока движутся с различной скоростью. На границе между ними сформировался волнистый узор, напоминающий классическую турбулентность, однако характеризующийся вихрями, поведение которых определяется необычными принципами квантовой механики и топологии.
Эти вихри представляют собой эксцентричные дробные скирмионы, сокращенно ЭДС — недавно идентифицированный тип топологических дефектов. «Обычно скирмионы обладают симметричной структурой и имеют центр, — отметил Такеучи. — Однако ЭДС имеют форму полумесяца и характеризуются наличием встроенных сингулярностей — областей, где нарушена обычная спиновая структура, что вызывает значительные искажения. По моему мнению, большой полумесяц в правом верхнем углу «Звёздной ночи» весьма напоминает ЭДС».
Скирмионы, изначально найденные в магнитных материалах, привлекают растущее внимание как потенциальные элементы спинтронных устройств и памяти. Это обусловлено их стабильностью, малым размером и уникальной динамикой. Обнаружение нового типа скирмионов в сверхтекучей жидкости может оказаться важным как для развития прикладных технологий, так и для углубления понимания квантовых систем.
В дальнейшем планируется совершенствование методов измерений, применяемых командой. По словам Такеучи, «более точные эксперименты позволят подтвердить прогнозы, сделанные в XIX веке, касающиеся длины волны и частоты поверхностных волн, возникающих вследствие квантовой неустойчивости Кельвина — Гельмгольца.
Ученые также отмечают значительный теоретический потенциал. «ЭДС ставят под сомнение общепринятые топологические классификации», – заявил Такеучи. – «Их внутренние сингулярности порождают новые вопросы, и мы рассчитываем установить, наблюдаются ли подобные структуры в других системах, состоящих из нескольких компонентов». Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
[Фото: Ван Гог / «Звездная ночь» / общественное достояние]