Figure 1 :Défaut composite dans un superfluide 23Na confiné dans un « conteneur électromagnétique » bidimensionnel en forme de crêpe. La couleur plus noire indique une région de haute densité de fluide. Le cœur du défaut topologique correspond à la région blanche au centre de l'image. Crédit: Phys. Rév. Lett. 122, 095301 (2019)
Hiromitsu Takeuchi, maître de conférences à la Graduate School of Science, Université de la ville d'Osaka, et chercheur au Nambu Yoichiro Institute of Theoretical and Experimental Physics (NITEP), a théoriquement identifié la nature d'un mystérieux défaut topologique produit par l'évolution en temps de non-équilibre récemment découverte de la brisure spontanée de symétrie (SSB). Étant donné que la SSB réalisée dans ce système est comme la SSB connue pour se produire dans les supraconducteurs isotropes et le 4He superfluide, on s'attendait à ce qu'il produise des défauts topologiques avec des propriétés de type vortex dans le fluide, appelés tourbillons quantiques. Cependant, le défaut topologique observé dans cette expérience a une structure qui ressemblait peu à la SSB mentionnée précédemment, et ses propriétés physiques ont été enveloppées de mystère. Dans cette recherche, l'idée d'appliquer la transformée de Joukowski, qui est utilisé pour calculer la portance des ailes d'avion, aux tourbillons quantiques a été introduit pour la première fois, et l'analyse a révélé que l'état le plus stable de ce mystérieux défaut topologique est un nouveau défaut topologique appelé vortex elliptique quantique. Les résultats de cette recherche ont été publiés en ligne dans Lettres d'examen physique , considérée comme l'une des revues les plus prestigieuses dans le domaine de la physique.
Une fonction dépendante du temps et de l'espace appelée « champ » est couramment utilisée pour décrire les propriétés des systèmes physiques dans lesquels la SSB se produit. Si le mouvement du champ peut être calculé, le comportement du système peut être prédit. Cependant, le calcul est généralement difficile car les degrés de liberté du domaine sont infinis.
Un moyen efficace de décrire le mouvement complexe d'un champ est de représenter les degrés de liberté d'un objet flottant dedans, appelé défaut topologique. Le champ autour du "noyau" d'un défaut topologique a une certaine structure. Par conséquent, en décrivant le centre du noyau comme le mouvement d'un point de masse, le mouvement du champ peut être approximativement prédit.
Cette situation est similaire à la façon dont le futur changement de direction du vent peut être prédit dans une certaine mesure en regardant la trajectoire de l'œil d'un typhon. Dans les matériaux où la SSB se produit généralement, comme les supraconducteurs et les superfluides, ce "vent" correspond à un courant sans résistance et à un écoulement sans frottement, respectivement. Puisque la structure du champ autour du noyau peut être prédite en fonction de la brisure de symétrie, on a pensé que le comportement des défauts topologiques, et donc le comportement du champ, peut être compris si la brisure de symétrie est comprise à l'échelle globale.
Figure 2 :Flux (calcul numérique) autour d'un vortex quantique ordinaire à symétrie de rotation (à gauche) et d'un vortex quantique elliptique (à droite). Les flèches indiquent le sens du flux; plus la couleur est blanche, plus le débit est fort. Le contour du noyau est délimité par des lignes pointillées. La couleur de fond représente la phase de la fonction d'onde macroscopique (fonction complexe) correspondant au champ superfluide. Crédit :Université de la ville d'Osaka
Un phénomène qui réfute cette idée a été récemment observé par le groupe expérimental du professeur Shin à l'Université nationale de Séoul [Phys. Rév. Lett. 122, 095301 (2019)]. Puisque la brisure de symétrie dans ce système expérimental est similaire à celle des supraconducteurs et des superfluides ordinaires bien connus, la forme du coeur du défaut topologique, appelé vortex quantique, devrait être rond comme l'œil d'un typhon dans une section transversale en deux dimensions.
Cependant, la structure transversale réelle du défaut de phase observé était complètement différente. La figure 1 montre une photographie expérimentale de la structure correspondant à la section transversale d'un défaut topologique provoqué par une transition de phase brutale. À l'époque, ce défaut topologique a été considéré comme un composé de deux défauts topologiques connus (défaut composite) et a été interprété comme un état transitoire qui se produit temporairement pendant le processus de transition de phase près du point critique.
Dans cette étude, clarifier les propriétés physiques du défaut composite observé dans l'expérience, Hiromitsu Takeuchi a introduit l'idée d'appliquer la transformée de Joukowski, qui est utilisé pour calculer la portance d'une aile d'avion, au vortex quantique. Sur la base de cette idée, le défaut topologique observé dans l'expérience est finalement stabilisé en un nouveau défaut topologique appelé vortex elliptique quantique. Les tourbillons quantiques ordinaires ont un écoulement à symétrie de rotation dans leur section transversale, comme un œil de typhon (Fig. 2, la gauche). Cependant, la section transversale du vortex elliptique quantique nouvellement proposé brise spontanément la symétrie de rotation et forme un écoulement le long de l'ellipse. On pensait auparavant que la forme externe d'un défaut topologique était déterminée en fonction de la manière dont la SSB globale du système physique se produit, mais ce résultat renverse clairement cette perception.
Il est théoriquement connu qu'une telle structure étrange se produit près du point critique de la transition de phase, et que la SSB locale à l'intérieur du cœur du défaut topologique est profondément impliquée dans sa stabilité.
Bien que la SSB soit étudiée depuis longtemps, il n'y a pas de compréhension générale de la façon dont la SSB locale à l'intérieur du cœur se produit et comment elle affecte les propriétés physiques des défauts topologiques. Les défauts topologiques apparaissent non seulement dans des matériaux spéciaux tels que les supraconducteurs, mais aussi dans une variété de systèmes physiques allant de matériaux relativement familiers tels que les cristaux et les cristaux liquides aux sciences et technologies de pointe telles que la spintronique, et ils sont considérés comme jouant un rôle important dans une étoile à neutrons en rotation et la dynamique de transition de phase dans l'univers primitif. Il y a de l'espoir que les nouveaux développements dans les boissons sucrées, comme la découverte de Takeuchi, sera apportée par des améliorations dans les techniques expérimentales et les progrès correspondants de la théorie, et qu'ils auront un effet d'entraînement sur l'ensemble du domaine de la physique.
