Картина Ван Гога «Звёздная ночь» уже более века волнует души любителей искусства. Теперь её клубящееся небо может быть интересно и физикам, поскольку оно отражает закономерности квантовой турбулентности. Ученые 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 — это классическое явление в гидродинамике, при котором на границе между двумя жидкостями, движущимися с разной скоростью, образуются волны и вихри. Это можно наблюдать в океанских волнах, гонимых ветром, в клубящихся облаках или в небе, изображённом Ван Гогом.
«Наше исследование началось с простого вопроса: может ли неустойчивость Кельвина — Гельмгольца возникать в квантовых жидкостях?» — сказал Хиромицу Такеучи, доцент Высшей школы естественных наук Университета Метрополитен в Осаке.
Охлаждая литиевые газы почти до абсолютного нуля, исследователи создали многокомпонентный конденсат Бозе — Эйнштейна — квантовую сверхтекучую жидкость — с двумя потоками, движущимися с разной скоростью. На их границе возник волнистый узор, напоминающий классическую турбулентность, но с образованием вихрей, подчиняющихся странным правилам квантовой механики и топологии.
Эти вихри оказались эксцентричными дробными скирмионами, или ЭДС — недавно открытым видом топологических дефектов. «Скирмионы обычно симметричны и имеют центр, — сказал Такеучи. — Но ЭДС имеют форму полумесяца и содержат встроенные сингулярности — точки, в которых нарушается обычная спиновая структура, что приводит к резким искажениям. На мой взгляд, большой полумесяц в правом верхнем углу "Звёздной ночи" очень похож на ЭДС».
Скирмионы, впервые обнаруженные в магнитных материалах, вызывают всё больший интерес в качестве компонентов спинтроники и устройств памяти благодаря своей стабильности, небольшому размеру и необычной динамике. Открытие нового вида скирмионов в сверхтекучей жидкости может иметь значение как для прикладных технологий, так и для понимания квантовых систем.
В перспективе команда планирует усовершенствовать свои методы измерения. «С помощью более точных экспериментов мы сможем проверить предсказания XIX века о длине волны и частоте поверхностных волн, вызванных квантовой неустойчивостью Кельвина — Гельмгольца», — сказал Такеучи.
Исследователи также видят более широкий теоретический потенциал. «ЭДС бросают вызов традиционным топологическим классификациям, — сказал Такеучи. — Их встроенные сингулярности поднимают новые вопросы, и мы надеемся выяснить, возникают ли подобные структуры в других многокомпонентных системах». Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
