Fizycy odkryli wzorce turbulencji kwantowych w "Gwiaździstej nocy" van Gogha
Wirujące niebo "Gwiaździstej nocy" van Gogha zainspirowało nie tylko miłośników sztuki, ale i fizyków. Badacze z Osaki i Korei po raz pierwszy uchwycili rzadką kwantową niestabilność Kelvina-Helmholtza, tworzącą wiry przypominające półksiężyc z obrazu mistrza.
Od ponad wieku "Gwiaździsta noc" Vincenta van Gogha porusza wrażliwość miłośników sztuki. Teraz okazuje się, że jej wirujące niebo może przemawiać również do fizyków i to w języku mechaniki kwantowej. Zespół naukowców z Uniwersytetu Metropolitalnego w Osace oraz Korea Advanced Institute of Science and Technology po raz pierwszy w historii zaobserwował kwantową niestabilność Kelvina-Helmholtza (KHI).
Zjawisko to przewidywano od dekad, ale dotąd nigdy go nie uchwycono w kwantowych cieczach. Efektem są niezwykłe wiry zwane ekscentrycznymi frakcjonalnymi skyrmionami o kształtach przypominających półksiężyc, jak ten w prawym górnym rogu słynnego obrazu.
Badania zostały opublikowane 8 sierpnia w czasopiśmie Nature Physics.
Od oceanicznych fal po kwantowe superpłyny
KHI to klasyczny proces w fizyce płynów - wiry i fale pojawiają się na granicy dwóch warstw płynów poruszających się z różnymi prędkościami. Widać to w falach wzburzonych wiatrem, w spiralach chmur, albo, jak żartobliwie zauważają badacze, w nocnym niebie van Gogha.
Nasze badania zaczęły się od prostego pytania: czy niestabilność Kelvina–Helmholtza może wystąpić w cieczach kwantowych?
Odpowiedź wymagała schłodzenia gazu litu niemal do zera absolutnego, by powstał wieloskładnikowy kondensat Bosego-Einsteina, czyli kwantowy superpłyn. Uformowano w nim dwa strumienie płynące z różnymi prędkościami. Na ich styku pojawiły się faliste "palce" przypominające klasyczną turbulencję, a następnie powstały wiry, rządzone już zasadami mechaniki kwantowej i topologii.
Półksiężyce w świecie cząstek
Nowo odkryte wiry okazały się ekscentrycznymi frakcjonalnymi skyrmionami (EFS).
Skyrmiony są zwykle symetryczne i wyśrodkowane. EFS mają kształt półksiężyca i zawierają osadzone osobliwości - punkty, w których zwykła struktura spinowa załamuje się, tworząc ostre zniekształcenia. Dla mnie duży półksiężyc w prawym górnym rogu "Gwiaździstej nocy" wygląda dokładnie jak EFS.
Skyrmiony, po raz pierwszy odkryte w materiałach magnetycznych, od lat budzą zainteresowanie w spintronice i technologiach pamięci ze względu na swoją stabilność, niewielki rozmiar i nietypowe zachowanie. Pojawienie się ich nowego rodzaju w superpłynie może mieć znaczenie nie tylko dla zastosowań, ale też dla zrozumienia kwantowych układów.
Naukowcy planują teraz dokładniejsze pomiary. - Dzięki precyzyjniejszym eksperymentom być może uda się przetestować XIX-wieczne przewidywania dotyczące długości fali i częstotliwości fal na granicy napędzanej przez KHI - dodał profesor. Badacze chcą też sprawdzić, czy podobne struktury mogą pojawiać się w innych wieloskładnikowych lub wielowymiarowych systemach.
Ciekawe, co powiedzieliby naukowcy, którzy ostatnio dowodzili, że słynny obraz postimpresjonistycznego artysty nie jest arcydziełem. Przynajmniej, jeśli chodzi o fizykę.
Źródło: Osaka Metropolitan University
Publikacja: Stable singular fractional skyrmion spin texture from the quantum Kelvin-Helmholtz instability, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02982-x
Czy oni naprawdę to zrobili? Sprawdź, co wiesz o naukowcach z Polski i świata
