Возглавляемая исследователями из Колледжа Амхерст в США, Университета Восточной Англии и Ланкастерского университета в Великобритании, их новая статья подробно описывает первые лабораторные исследования этих "экзотических" водоворотов в ультрахолодном газе атомов при температурах всего в десятки миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля.

Открытие, объявленное на этой неделе в журнале Сообщения о природе, может иметь захватывающие последствия в будущем для реализации квантовой информации и вычислений.

Вихри - это знакомые объекты в природе, от водоворотов воды в сливном отверстии ванны до воздушного потока вокруг урагана.

В квантово-механических системах, таких как атомный конденсат Бозе-Эйнштейна, вихри, как правило, крошечные, и их циркуляция происходит в дискретных, квантованных единицах. Такие вихри уже давно привлекают внимание физиков и помогли пролить свет на необычные свойства сверхтекучести и сверхпроводимости.

Однако необычная природа наблюдаемых здесь водоворотов обусловлена симметриями в квантовом газе. Одним особенно захватывающим свойством физических теорий, от космологии до элементарных частиц, является появление асимметричных миров, несмотря на идеальные лежащие в их основе симметрии. Например, когда вода замерзает, превращаясь в лед, неупорядоченные молекулы в жидкости выстраиваются в периодический массив.

Пространственная симметрия системы часто легко идентифицируется - например, соты имеют периодический массив ячеек с гексагональной симметрией. Хотя вихревая среда, используемая в этой новой работе, представляет собой жидкость, а не твердый массив, она также обладает внутренним набором скрытых дискретных симметрий. Например, один из ультрахолодных газов команды обладал четырехкратной симметрией квадрата, а другой - четырехгранной симметрией четырехгранного кубика, знакомого игрокам фэнтезийных игр во всем мире.

"Массовый поток и лежащая в его основе симметрия жидкости взаимодействуют друг с другом интересным образом", - сказал доктор Магнус Борг, адъюнкт-профессор физики в UEA.

"Одним из следствий является то, что если положения двух вихрей меняются местами, они могут оставить след процесса, задерживающегося в жидкости. Этот след постоянно связывает взаимодействующие вихри вместе, подобно ступеньке лестницы".

"Ни одна обычная жидкость не ведет себя подобным образом, и, возможно, аналогичные объекты существуют только глубоко внутри нейтронных звезд", - добавила профессор Янне Руостекоски из Ланкастерского университета. Действительно, команда говорит, что эти созданные вихри выходят за рамки самого современного уровня.

"Отчасти именно эти связи с незнакомыми областями физики делают нашу работу привлекательной", - сказал профессор Дэвид Холл из колледжа Амхерст. "И отчасти это наше человеческое понимание симметрии".

Непосредственное наблюдение за этим поведением стало предметом исследования команды, экспериментальная часть которого базируется в колледже Амхерст.

"Нам повезло, что у нас есть чрезвычайно талантливые и целеустремленные студенты, которые могут проводить такого рода сложные эксперименты", - сказал профессор Холл, отдавая должное, в частности, Артуру Сяо, ведущему автору исследования.