Ο διάσημος συγγραφέας Ισαάκ Ασίμοφ είπε κάποτε: «Υπάρχει τέχνη στην επιστήμη και επιστήμη στην τέχνη». Μια νέα μελέτη επιβεβαιώνει αυτή την ρήση, αναδεικνύοντας μια άγνωστη σύνδεση μεταξύ του διάσημου πίνακα του Βίνσεντ βαν Γκογκ «Έναστρη Νύχτα» και της κβαντικής φυσικής.
Το βασικό θέμα της μελέτης είναι το ασταθές φαινόμενο Kelvin–Helmholtz (KHI) που παρατηρείται στην καθημερινή ζωή, όταν δύο υγρά κινούνται το ένα δίπλα στο άλλο με διαφορετικές ταχύτητες, δημιουργώντας κύματα και δίνες σε σύννεφα, ποτάμια ή επιφάνειες θαλασσών.
«Η έρευνά μας, ξεκίνησε από ένα απλό ερώτημα. Μπορεί η αστάθεια Kelvin–Helmholtz να παρατηρηθεί σε κβαντικά υγρά;», είπε ο Hiromitsu Takeuchi, κύριος συγγραφέας της μελέτης και αναπληρωτής καθηγητής στο πανεπιστήμιο της Οσάκα.
Μέχρι τώρα, κανείς δεν είχε παρατηρήσει την αστάθεια Κέλβιν-Χέλμουλτς σε κβαντικό υγρό. Ωστόσο, οι συγγραφείς της παρούσας μελέτης όχι μόνο την κατέγραψαν για πρώτη φορά, αλλά ανακάλυψαν και στροβίλους σε σχήμα ημισελήνου, γνωστοί ως εκκεντρικά κλασματικά skyrmions (EFSs), που μοιάζουν εντυπωσιακά με το φωτεινό φεγγάρι στον πίνακα του Βαν Γκογκ “Έναστρη Νύχτα”.
«Τα skyrmions είναι συμμετρικά και κεντραρισμένα, αλλά τα EFSs έχουν σχήμα ημισελήνου και περιέχουν ενσωματωμένες ιδιομορφίες, σημεία όπου η συνήθης δομή του σπιν εξαφανίζεται, δημιουργώντας απότομες παραμορφώσεις. Για μένα, η μεγάλη ημισέληνος στην επάνω δεξιά γωνία της ‘Έναστρης Νύχτας’ μοιάζει ακριβώς με ένα EFS», πρόσθεσε ο Takeuchi.
Αναδημιουργία της αναταραχής στον κβαντικό κόσμο
Σε κανονικά υγρά, το φαινόμενο Kelvin–Helmholtz (KHI) εμφανίζεται όπου υπάρχει έντονη διαφορά στην ταχύτητα μεταξύ δύο ροών. Αυτό το φαινόμενο μπορεί εύκολα να παρατηρηθεί στις κυματάκια μιας φουρτουνιασμένης θάλασσας ή στις χαρακτηριστικές λωρίδες των νεφών στον ουρανό. Ωστόσο, η αναπαραγωγή αυτού του φαινομένου σε κβαντικό ρευστό δεν είναι καθόλου απλή υπόθεση. Τα κβαντικά υγρά, όπως τα συμπυκνώματα Bose–Einstein ή τα υπερρευστά, συμπεριφέρονται σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής και όχι της κλασικής φυσικής.
Δεν έχουν ιξώδες, και οι ιδιότητές τους συνδέονται με ευαίσθητες κβαντικές καταστάσεις που είναι γνωστά δύσκολο να δημιουργηθούν και να ελεγχθούν. Επί δεκαετίες, αυτό έκανε την άμεση παρατήρηση του φαινομένου KHI σε τέτοια συστήματα να φαίνεται ανέφικτη.
Οι συγγραφείς της μελέτης ξεπέρασαν αυτήν την πρόκληση χρησιμοποιώντας μια ενδιαφέρουσα διάταξη. Ψύξανε ένα αέριο ατόμων λιθίου σε θερμοκρασία ελάχιστα υψηλότερη από το απόλυτο μηδέν, αναγκάζοντας το να μεταβεί σε ένα πολυ-συστατικό συμπύκνωμα Bose–Einstein, μια φάση όπου τα άτομα συμπεριφέρονται σαν ένα ενιαίο συνεκτικό κβαντικό κύμα.
Οργάνωσαν το συμπύκνωμα σε δύο επικαλυπτόμενα μέρη που κινούνταν με διαφορετικές ταχύτητες το ένα πέρα από το άλλο. Στο όριο μεταξύ αυτών των ροών, άρχισαν να σχηματίζονται κυματιστά μοτίβα, που θύμιζαν πολύ τα αρχικά στάδια της κλασικής αστάθειας Kelvin–Helmholtz.
Αυτό που ακολούθησε ήταν κάτι εντελώς καινούργιο. Στο κβαντικό περιβάλλον, η ασταθής κατάσταση δεν δημιούργησε απλώς λείες κυματομορφές, δημιούργησε δίνες, η δομή των οποίων καθοριζόταν από την κβαντική φύση του συστήματος. Αυτές οι δίνες αποδείχθηκαν ότι είναι EFSs, ένας νέος τύπος τοπολογικού ελαττώματος.
Σε αντίθεση με τα συμμετρικά skyrmions που βρίσκονται σε μαγνητικά υλικά, τα EFSs ήταν ασύμμετρα, σε σχήμα ημισελήνου και περιείχαν ενσωματωμένες ιδιαιτερότητες, σημεία όπου το φυσιολογικό πρότυπο σπιν (περιστροφής) διασπάται απότομα, δημιουργώντας έντονες παραμορφώσεις.
«Αυτά τα skyrmions προκύπτουν από ανώμαλη διάσπαση συμμετρίας που σχετίζεται με μια στροφορμική ιδιαιτερότητα και φέρουν το μισό της στοιχειώδους ηλεκτρικής φόρτισης, ένα χαρακτηριστικό που τα ξεχωρίζει από τα συμβατικά skyrmions και merons», είπαν οι συγγραφείς της μελέτης.
Ανοίγει ο δρόμος για πιο αποδοτικά συστήματα αποθήκευσης δεδομένων
Τα skyrmions μελετώνται ήδη για τη χρήση τους στη σπιντρονική, έναν πολλά υποσχόμενο τομέα που στοχεύει να δημιουργήσει ταχύτερα και πιο αποδοτικά συστήματα αποθήκευσης δεδομένων και υπολογιστικές συσκευές, ελέγχοντας το σπιν των σωματιδίων αντί να χρησιμοποιεί το παραδοσιακό ηλεκτρικό ρεύμα.
Η ανακάλυψη μιας εντελώς νέας μορφής skyrmions σε κβαντικό ρευστό θα μπορούσε να οδηγήσει σε άγνωστους μέχρι σήμερα τρόπους δημιουργίας και ελέγχου τέτοιων δομών.
Επιπλέον, η έρευνα αυτή εγείρει νέα θεωρητικά ερωτήματα. Για παράδειγμα, τα EFSs δεν εντάσσονται εύκολα στις υπάρχουσες τοπολογικές ταξινομήσεις, γεγονός που υποδηλώνει ότι η κατανόησή μας για τέτοιες κβαντικές δομές παραμένει ελλιπής.
«Τα αποτελέσματά μας επιβεβαιώνουν την καθολικότητα μεταξύ των κλασικών και κβαντικών ασταθειών Kelvin–Helmholtz και διευρύνουν την κατανόησή μας για τη πολύπλοκες μη γραμμικές δυναμικές σε συστήματα κβαντικής τοπολογίας με πολύπλοκη υφή», πρόσθεσαν οι συγγραφείς της μελέτης.
Οι ερευνητές τώρα σχεδιάζουν να πραγματοποιήσουν πιο ακριβή πειράματα, τα οποία θα μπορούσαν να τους επιτρέψουν να ελέγξουν τις προβλέψεις που έγιναν πριν από έναν αιώνα σχετικά με τα μήκη κύματος και τις συχνότητες των κυμάτων Kelvin–Helmholtz. Ενδιαφέρονται επίσης να δουν αν εμφανίζονται παρόμοιες δίνες σε άλλα κβαντικά συστήματα πολλαπλών συστατικών ή υψηλότερης διάστασης.
