Nouveaux tourbillons quantiques à symétries tétraédriques découverts dans un superfluide

Représentations de majorana et d'harmoniques sphériques des prototypes de spineurs pour les phases magnétiques de spin-1 et de spin-2. a, b Les phases magnétiques ferromagnétiques (FM) et polaires (P) de spin-1 avec deux points de Majorana (points verts, avec un nombre adjacent indiquant la multiplicité > 1). c–g Les phases magnétiques spin-2 ferromagnétiques-2 (FM2) et -1 (FM1), nématique uniaxiale (UN), nématique biaxiale (BN) et cyclique (C), avec quatre points de Majorana. Les symétries polytopes discrètes de Majorana d'un carré et d'un tétraèdre sont facilement reconnues pour BN et C. Le comportement complet des symétries d'ordre-paramètre est visualisé dans la représentation des harmoniques sphériques, où Z(θ, ϕ), pour les coordonnées sphériques (θ, ϕ ), développe chaque spineur en termes d'harmoniques sphériques. La forme ∣Z(θ, ϕ)∣2 et Arg(Z)Arg(Z) (carte de couleur) révèlent ensemble la symétrie. Les paramètres d'ordre FM, FM1 et FM2 correspondent à des rotations spatiales en trois dimensions. Les symétries des paramètres d'ordre des phases magnétiques restantes sont obtenues en combinant de manière appropriée la phase de condensat globale avec un axe non orienté (P et UN), un carré (BN) et un tétraèdre (C). Crédit :Nature Communications (2022). DOI :10.1038/s41467-022-32362-5

Une collaboration internationale de scientifiques a créé et observé une toute nouvelle classe de tourbillons - les masses tourbillonnantes de fluide ou d'air.

Dirigé par des chercheurs de l'Amherst College aux États-Unis et de l'Université d'East Anglia et de l'Université de Lancaster au Royaume-Uni, leur nouvel article détaille les premières études en laboratoire de ces tourbillons "exotiques" dans un gaz ultrafroid d'atomes à des températures aussi basses que des dizaines de milliardièmes d'un degré au-dessus du zéro absolu.

La découverte, annoncée cette semaine dans la revue Nature Communications , peuvent avoir des implications futures passionnantes pour les implémentations de l'information et de l'informatique quantiques.

Les tourbillons sont des objets familiers dans la nature, des tourbillons d'eau dans le drain d'une baignoire au flux d'air autour d'un ouragan.

Dans les systèmes de mécanique quantique, comme un condensat atomique de Bose-Einstein, les vortex ont tendance à être minuscules et leur circulation se fait en unités discrètes et quantifiées. De tels tourbillons fascinent depuis longtemps les physiciens et ont contribué à mettre en lumière les propriétés inhabituelles de la superfluidité et de la supraconductivité.

La nature inhabituelle des tourbillons observés ici, cependant, est due aux symétries dans le gaz quantique. Une propriété particulièrement fascinante des théories physiques, de la cosmologie aux particules élémentaires, est l'apparition de mondes asymétriques malgré des symétries sous-jacentes parfaites. Par exemple, lorsque l'eau se transforme en glace, les molécules désordonnées d'un liquide s'organisent en un réseau périodique.

La symétrie spatiale d'un système est souvent facilement identifiée - par exemple, un nid d'abeilles a un réseau périodique de cellules à symétrie hexagonale. Bien que le milieu vortex utilisé dans ce nouveau travail soit un fluide plutôt qu'un réseau solide, il possède également un ensemble interne de symétries discrètes cachées. Par exemple, l'un des gaz ultrafroids de l'équipe avait la symétrie quadruple d'un carré, et un autre avait la symétrie tétraédrique d'un dé à quatre faces, familier aux joueurs de jeux fantastiques du monde entier.

"Le débit massique et la symétrie sous-jacente du fluide interagissent de manière intéressante", a déclaré le Dr Magnus Borgh, professeur agrégé de physique à l'UEA.

"Une conséquence est que si les positions de deux tourbillons sont interverties, elles peuvent laisser une trace du processus persistant dans le fluide. Cette trace relie les tourbillons en interaction de façon permanente, comme un échelon dans une échelle."

"Aucun fluide ordinaire ne se comporte de la sorte, et il se peut que des objets analogues n'existent qu'au plus profond des étoiles à neutrons", a ajouté le professeur Janne Ruostekoski, de l'Université de Lancaster. En effet, l'équipe affirme que ces tourbillons créés vont au-delà de l'état de l'art.

"Ce sont en partie ces liens avec les domaines étrangers de la physique qui rendent notre travail attrayant", a déclaré le professeur David Hall de l'Amherst College. "Et en partie, c'est notre appréciation humaine de la symétrie."

L'observation directe de ces comportements est devenue l'objet des recherches de l'équipe, dont la partie expérimentale est basée à Amherst College.

"Nous avons la chance d'avoir des étudiants extrêmement talentueux et dévoués qui peuvent faire ce genre d'expériences difficiles", a déclaré le professeur Hall, attribuant en particulier Arthur Xiao, l'auteur principal de l'étude. + Explorer plus loin