«Звездная ночь» Ван Гога помогает раскрыть тайны скирмионов

Картина Винсента Ван Гога «Звездная ночь» долгие годы вдохновляла не только художников и ценителей прекрасного, но и ученых. Ее вихревое небо, наполненное динамичными мазками, оказалось удивительно похожим на структуры, возникающие в квантовых жидкостях. Недавнее открытие физиков из Университета Метрополитен в Осаке и Корейского передового института науки и технологий показало, что турбулентные узоры на полотне Ван Гога имеют поразительное сходство с экзотическими квантовыми вихрями — эксцентричными дробными скирмионами.

Это исследование впервые подтвердило существование квантовой неустойчивости Кельвина — Гельмгольца (KHI) в сверхтекучих жидкостях — явления, предсказанного десятилетия назад, но до сих пор не наблюдавшегося в квантовых системах. Оказалось, что при определенных условиях квантовые жидкости формируют вихревые структуры, напоминающие полумесяцы на картине Ван Гога. Это открытие не только углубляет понимание квантовой турбулентности, но и открывает новые перспективы в спинтронике и топологических исследованиях.

От классической гидродинамики к квантовым вихрям

Неустойчивость Кельвина — Гельмгольца — хорошо известное явление в классической гидродинамике, возникающее на границе двух сред, движущихся с разной скоростью. Она проявляется в океанских волнах, атмосферных течениях и даже в облаках, создавая характерные завихрения. Однако до сих пор оставалось загадкой, может ли подобная неустойчивость возникать в квантовых жидкостях, где материя подчиняется законам квантовой механики.

Чтобы ответить на этот вопрос, ученые охладили литиевые газы почти до абсолютного нуля, создав конденсат Бозе — Эйнштейна — особое состояние материи, в котором атомы ведут себя как единое квантовое целое. В этой сверхтекучей среде исследователи смоделировали два потока, движущихся с разными скоростями, и наблюдали образование волн и вихрей на их границе.

Эксцентричные дробные скирмионы: квантовые «полумесяцы» Ван Гога

Изначально волны в квантовой жидкости напоминали классическую турбулентность, но вскоре начали формироваться необычные вихревые структуры — эксцентричные дробные скирмионы (EFS). В отличие от традиционных скирмионов, которые обладают симметричной формой и четким центром, EFS имеют форму полумесяца и содержат встроенные сингулярности — точки, где обычная структура спина резко искажается.

Хиромицу Такеучи, один из ведущих авторов исследования, отметил, что большой полумесяц в правом верхнем углу «Звездной ночи» поразительно похож на EFS. Это сходство не просто визуальная метафора — оно указывает на универсальность турбулентных процессов, которые могут проявляться как в макроскопических явлениях, так и в квантовых системах.

Перспективы: от фундаментальной науки к технологиям

Открытие EFS в квантовых жидкостях имеет важные последствия как для фундаментальной физики, так и для прикладных технологий. Скирмионы уже активно изучаются в контексте спинтроники и устройств хранения данных благодаря их стабильности и уникальным динамическим свойствам. Новый тип скирмионов может предложить дополнительные возможности для создания квантовых вычислительных систем и миниатюрных запоминающих устройств.

В будущем команда планирует уточнить методы измерений, чтобы проверить классические теории о длине волны и частоте поверхностных возмущений. Кроме того, исследователи намерены изучить, могут ли подобные структуры возникать в других многокомпонентных системах, что поможет расширить понимание топологических дефектов в квантовой материи.

Искусство и наука — неожиданное пересечение

Исследование японских и корейских физиков демонстрирует, что даже великие произведения искусства могут служить источником вдохновения для научных открытий. Турбулентные узоры «Звездной ночи» оказались не просто художественной абстракцией, а отражением глубоких физических процессов, происходящих в квантовых системах. Это открытие напоминает о том, что красота и наука часто идут рука об руку, раскрывая удивительные закономерности мироздания.