Nye kvantehvirvler med tetraedriske symmetrier opdaget i en superfluid

Et internationalt samarbejde af videnskabsmænd har skabt og observeret en helt ny klasse af hvirvler - de hvirvlende masser af væske eller luft.

Ledet af forskere fra Amherst College i USA og University of East Anglia og Lancaster University i Storbritannien beskriver deres nye papir de første laboratorieundersøgelser af disse "eksotiske" hvirvler i en ultrakold gas af atomer ved temperaturer så lave som titusindvis af milliardtedele af en grad over det absolutte nul.

Opdagelsen, annonceret i denne uge i tidsskriftet Nature Communications , kan have spændende fremtidige implikationer for implementeringer af kvanteinformation og computing.

Hvirvler er velkendte objekter i naturen, lige fra boblebadene af vand ned i et badekars afløb til luftstrømmen omkring en orkan.

I kvantemekaniske systemer, såsom et atomart Bose-Einstein-kondensat, har hvirvlerne en tendens til at være små, og deres cirkulation kommer i diskrete, kvantificerede enheder. Sådanne hvirvler har længe været objekter for fascination for fysikere og har været med til at belyse de usædvanlige egenskaber ved superfluiditet og superledning.

Den usædvanlige karakter af de observerede hvirvler her skyldes dog symmetrier i kvantegassen. En særlig fascinerende egenskab ved fysiske teorier, fra kosmologi til elementarpartikler, er udseendet af asymmetriske verdener på trods af perfekte underliggende symmetrier. Når vand f.eks. fryser til is, arrangerer uordnede molekyler i en væske sig i et periodisk array.

Den rumlige symmetri af et system er ofte let identificeret - for eksempel har en honeycomb en periodisk række af celler med sekskantet symmetri. Selvom hvirvelmediet, der bruges i dette nye værk, er et flydende snarere end et solidt array, har det også et internt sæt af skjulte diskrete symmetrier. For eksempel havde en af ​​holdets ultrakolde gasser den firedobbelte symmetri af en firkant, og en anden havde den tetraedriske symmetri af en firsidet matrice, som er kendt for spillere af fantasispil overalt.

"Massestrømmen og væskens underliggende symmetri interagerer med hinanden på interessante måder," sagde Dr. Magnus Borgh, lektor i fysik ved UEA.

"En konsekvens er, at hvis positionerne af to hvirvler ombyttes, kan de efterlade et spor af processen, der dvæler i væsken. Dette spor binder de interagerende hvirvler sammen permanent, som et trin i en stige."

"Ingen almindelige væsker opfører sig sådan, og det kan være, at analoge objekter kun eksisterer dybt inde i neutronstjerner," tilføjede prof. Janne Ruostekoski fra Lancaster University. Faktisk siger holdet, at disse skabte hvirvler går ud over det nyeste.

"Det er til dels disse forbindelser til fysikkens fremmede domæner, der gør vores arbejde tiltalende," sagde prof. David Hall fra Amherst College. "Og dels er det vores menneskelige forståelse af symmetri."

At observere denne adfærd direkte er blevet fokus for holdets forskning, hvis eksperimentelle del er baseret på Amherst College.

"Vi er heldige at have ekstremt dygtige og dedikerede studerende, der kan udføre den slags udfordrende eksperimenter," sagde prof. Hall, der især krediterer Arthur Xiao, hovedforfatteren på undersøgelsen. + Udforsk yderligere

Forskere udvikler en ny type kamera til at afbilde kvantehvirvler for første gang