Постдокторский исследователь Рони Аннала использует струны и водяные вихри для объяснения этого явления: "Если вы создадите связующую структуру, скажем, из трех непрерывных струн по кругу, вы не сможете ее распутать, потому что струна не может пройти через другую струну. Если, с другой стороны, такая же круглая структура создана в воде, водяные вихри могут сталкиваться и сливаться, если они не защищены.'

"В конденсате Бозе-Эйнштейна структура связей находится где-то между ними", - говорит Аннала, которая начала работать над этим в исследовательской группе профессора Микко Моттенена в Университете Аалто, прежде чем вернуться в Университет Британской Колумбии, а затем в Институт перспективных исследований в Принстоне. Роберто Самора-Замора, постдокторант из группы Моттенена, также принимал участие в исследовании.

Исследователи математически продемонстрировали существование структуры связанных вихрей, которые не могут распасться из-за их фундаментальных свойств. "Новый элемент здесь заключается в том, что мы смогли математически построить три разных вихря потока, которые были связаны, но не могли проходить друг через друга без топологических последствий. Если вихри проникают друг в друга, на пересечении образуется шнур, который связывает вихри вместе и потребляет энергию. Это означает, что конструкция не может легко разрушиться", - говорит Моттенен.

От древности до космических нитей

Структура концептуально похожа на кольца Борромео, узор из трех взаимосвязанных кругов, который широко использовался в символике и в качестве герба. Символ викингов, связанный с Одином, состоит из трех треугольников, соединенных аналогичным образом. Если удалить один из кругов или треугольников, весь узор исчезнет, потому что оставшиеся два не связаны напрямую. Таким образом, каждый элемент связывает двух своих партнеров, стабилизируя структуру в целом.

Математический анализ в этом исследовании показывает, как подобные прочные структуры могут существовать между узловатыми или связанными вихрями. Такие структуры могут наблюдаться в определенных типах жидких кристаллов или систем конденсированных сред и могут влиять на то, как эти системы ведут себя и развиваются.

"К нашему удивлению, эти топологически защищенные звенья и узлы не были изобретены раньше. Вероятно, это связано с тем, что для связующей структуры требуются вихри с тремя различными типами потока, что намного сложнее, чем ранее рассмотренные двухвихревые системы", - говорит Моттенен.

Эти результаты могут однажды помочь сделать квантовые вычисления более точными. В топологических квантовых вычислениях логические операции выполнялись бы путем переплетения различных типов вихрей друг вокруг друга различными способами. "В обычных жидкостях узлы распутываются, но в квантовых полях могут быть узлы с топологической защитой, как мы сейчас обнаруживаем", - говорит Моттенен.

Аннала добавляет, что "одна и та же теоретическая модель может быть использована для описания структур во многих различных системах, таких как космические струны в космологии". Топологические структуры, используемые в исследовании, также соответствуют вакуумным структурам в квантовой теории поля. Таким образом, полученные результаты могут также иметь значение для физики элементарных частиц.

Далее исследователи планируют теоретически продемонстрировать существование узла в конденсате Бозе-Эйнштейна, который был бы топологически защищен от растворения в экспериментально осуществимом сценарии. "Существование топологически защищенных узлов является одним из фундаментальных вопросов природы. После математического доказательства мы можем перейти к моделированию и экспериментальным исследованиям", - говорит Моттенен.