Mysterieobjekt forårsaget af spontan symmetribrud afsløret

Hiromitsu Takeuchi, en underviser på Graduate School of Science, Osaka City University, og en forsker ved Nambu Yoichiro Institute of Theoretical and Experimental Physics (NITEP), har teoretisk identificeret karakteren af ​​en mystisk topologisk defekt frembragt af den nyligt opdagede ikke-ligevægtstidsudvikling af spontan symmetribrud (SSB). Da SSB realiseret i dette system er som SSB, der har været kendt for at forekomme i isotropiske superledere og superfluid 4He, det forventedes at producere topologiske defekter med vortex-lignende egenskaber i væsken, kaldet kvantehvirvler. Imidlertid, den topologiske defekt observeret i dette eksperiment har en struktur, der kun lignede den tidligere nævnte SSB, og dets fysiske egenskaber er blevet omgærdet af mystik. I denne forskning, ideen om at anvende Joukowski-transformationen, som bruges til at beregne løftet af flyvinger, til kvantehvirvler blev introduceret for første gang, og analysen afslørede, at den mest stabile tilstand af denne mystiske topologiske defekt er en ny topologisk defekt kaldet en kvante elliptisk hvirvel. Resultaterne af denne undersøgelse blev offentliggjort online i Fysiske anmeldelsesbreve , anses for at være et af de mest prestigefyldte tidsskrifter inden for fysik.

En tids- og rumafhængig funktion kaldet et "felt" bruges almindeligvis til at beskrive egenskaberne ved fysiske systemer, hvori SSB forekommer. Hvis feltets bevægelse kan beregnes, systemets opførsel kan forudsiges. Imidlertid, beregningen er generelt vanskelig, fordi feltets frihedsgrader er uendelige.

En effektiv måde at beskrive et felts komplekse bevægelse på er at repræsentere frihedsgrader for et objekt, der flyder i det, kaldes en topologisk defekt. Feltet omkring "kernen" af en topologisk defekt har en vis struktur. Derfor, ved at beskrive kernens centrum som bevægelsen af ​​et massepunkt, feltets bevægelse kan tilnærmelsesvis forudsiges.

Denne situation ligner, hvordan den fremtidige ændring i vindretningen til en vis grad kan forudsiges ved at se på en tyfons øje. I materialer, hvor SSB typisk forekommer, såsom superledere og supervæsker, denne "vind" svarer til strøm uden modstand og strømning uden friktion, henholdsvis. Da feltets struktur omkring kernen kan forudsiges i henhold til symmetribrud, man har troet, at opførselen af ​​topologiske defekter, og dermed markens opførsel, kan forstås, hvis symmetribruddet forstås på global skala.

Et fænomen, der modbeviser denne idé, blev for nylig observeret af professor Shins eksperimentelle gruppe ved Seoul National University [Phys. Lett. 122, 095301 (2019)]. Da symmetribruddet i dette eksperimentelle system ligner det i velkendte almindelige superledere og supervæsker, formen af ​​kernen af ​​den topologiske defekt, kaldet en kvantehvirvel, forventes at være rundt som øjet på en tyfon i et todimensionelt tværsnit.

Imidlertid, den faktiske tværsnitsstruktur af den observerede fasedefekt var helt anderledes. Figur 1 viser et eksperimentelt fotografi af strukturen svarende til tværsnittet af en topologisk defekt forårsaget af en pludselig faseovergang. På det tidspunkt, denne topologiske defekt blev anset for at være en forbindelse af to kendte topologiske defekter (sammensat defekt) og blev fortolket som en forbigående tilstand, der opstår midlertidigt under faseovergangsprocessen nær det kritiske punkt.

I dette studie, for at klarlægge de fysiske egenskaber af den sammensatte defekt observeret i eksperimentet, Hiromitsu Takeuchi introducerede ideen om at anvende Joukowski -transformen, som bruges til at beregne løftet af en flyvinge, til kvantehvirvelen. Baseret på denne idé, den topologiske defekt observeret i eksperimentet stabiliseres til sidst som en ny topologisk defekt kaldet en kvante elliptisk hvirvel. Almindelige kvantehvirvler har en rotationssymmetrisk strømning i deres tværsnit, som et tyfonøje (fig. 2, venstre). Imidlertid, tværsnittet af den nyligt foreslåede kvanteelliptiske hvirvel bryder spontant rotationssymmetrien og danner en strømning langs ellipsen. Det var tidligere antaget, at den ydre form af en topologisk defekt blev bestemt ud fra den måde, den globale SSB af det fysiske system opstår, men dette resultat vælter klart denne opfattelse.

Det er teoretisk kendt, at en sådan mærkelig struktur forekommer nær det kritiske punkt i faseovergangen, og at den lokale SSB inde i kernen af ​​den topologiske defekt er dybt involveret i dens stabilitet.

Selvom SSB er blevet undersøgt i lang tid, der er ingen generel forståelse af, hvordan den lokale SSB inde i kernen opstår, og hvordan den påvirker de fysiske egenskaber af topologiske defekter. Topologiske defekter forekommer ikke kun i specielle materialer såsom superledere, men også i en række fysiske systemer lige fra relativt velkendte materialer såsom krystaller og flydende krystaller til banebrydende videnskab og teknologi som f.eks. spintronics, og de anses for at spille vigtige roller i en roterende neutronstjerne og faseovergangsdynamikken i det tidlige univers. Der er håb om, at nye udviklinger i SSB'er, såsom Takeuchis opdagelse, vil blive frembragt af forbedringer i eksperimentelle teknikker og tilsvarende fremskridt inden for teori, og at de vil have en ringvirkning på hele fysikkens felt.