Byl detekován záhadný objekt způsobený spontánním porušením symetrie

Hiromitsu Takeuchi, lektor na Graduate School of Science, Osaka City University a vědecký pracovník na Institutu teoretické a experimentální fyziky Nambu Yuichiro (NITEP) teoreticky určil povahu tajemné topologické vady způsobené nedávno objevenou topologickou vadou. Vývoj rovnovážného času spontánního narušení symetrie (SSB). Vzhledem k tomu, že SSB byl v tomto systému realizován jako podobný SSB, o kterém bylo známo, že se vyskytuje v izotropních supravodičích a 4He superfluidu, očekávalo se, že způsobí topologické defekty s vlastnostmi podobnými víru v tekutině, které se nazývají kvantové víry. Topologická vada pozorovaná v tomto experimentu má však strukturu, která se málo podobá dříve zmíněné SSB, a její fyzikální vlastnosti jsou zahaleny tajemstvím. V tomto článku je poprvé představena myšlenka aplikace Joukowského transformace, která se používá k výpočtu zdvihací síly křídel letadla, na kvantové víry a analýza odhaluje, že nejstabilnější stav této záhadné topologické vada je nový stav. Topologická vada zvaná kvantový eliptický vír. Výsledky tohoto výzkumu byly zveřejněny online na adrese zprávy o fyzické kontroleJe považován za jeden z nejprestižnějších časopisů v oblasti fyziky.

K popisu vlastností fyzických systémů, ve kterých se SSB vyskytuje, se běžně používá funkce závislá na čase a místě zvaná „pole“. Pokud lze vypočítat pohyb pole, lze předpovědět chování systému. Výpočet je však obecně obtížný, protože stupně volnosti pole jsou nekonečné.

Jedním z účinných způsobů, jak popsat složitý pohyb pole, je představovat stupně volnosti objektu, ve kterém se vznáší, nazývaného topologická vada. Doména kolem „jádra“ topologické vady má určitou strukturu. Proto popisem středu jádra jako pohybu hmotného bodu lze zhruba předpovědět pohyb koule.

Tato situace je poněkud podobná tomu, jak lze předpovědět budoucí změnu směru větru při pohledu na dráhu oka hurikánu. V materiálech, ve kterých se SSB obvykle vyskytuje, jako jsou supravodiče a supratekutiny, odpovídají tyto „větry“ proudu bez odporu, respektive toku bez tření. Vzhledem k tomu, že doménová struktura kolem jádra může být předpovězena podle narušení symetrie, předpokládá se, že chování topologických defektů, a tím i chování pole, lze pochopit, pokud je narušení symetrie chápáno v globálním měřítku.

Fenomén, který tuto myšlenku vyvrací, nedávno pozorovala experimentální skupina profesora Shina na národní univerzitě v Soulu [Phys. Rev. Lett. 122, 095301 (2019)]. Vzhledem k tomu, že narušení symetrie v tomto experimentálním systému je podobné jako u známých supravodičů a běžných supertekutin, očekává se, že tvar jádra topologické vady, nazývaný kvantový vír, bude stejně kulatý jako oko hurikánu v dvourozměrném průřez.

Skutečná příčná struktura pozorovaného fázového defektu však byla zcela odlišná. Obrázek 1 ukazuje experimentální obraz odpovídající struktury průřezu topologické poruchy způsobené náhlým fázovým přechodem. V té době byla tato topologická vada považována za směs dvou známých topologických vad (složená vada) a byla interpretována jako přechodný stav, který dočasně nastává během procesu fázového přechodu poblíž kritického bodu.

V této studii představil Hiromitsu Takeuchi, aby objasnil fyzikální vlastnosti komplexního defektu pozorovaného v experimentu, myšlenku aplikace Joukowského transformace, která se používá k výpočtu vztlakové síly křídla letadla, na kvantový vír. Na základě této myšlenky byl topologický defekt pozorovaný v experimentu nakonec vyřešen jako nový topologický defekt nazývaný kvantový eliptický vír. Obyčejné kvantové víry mají ve svém průřezu rotační symetrický tok, jako oko hurikánu (obr. 2, vlevo). Průřez nově navrženého kvantového eliptického víru však spontánně naruší rotační symetrii a vytvoří tok podél elipsy. Dříve se předpokládalo, že vnější tvar topologické vady byl určen na základě způsobu, jakým došlo k globálnímu SSB fyzického systému, ale toto zjištění jasně převrací tuto realizaci.

Je teoreticky známo, že taková zvláštní struktura se vyskytuje v blízkosti kritického bodu fázového přechodu a že místní SSB je v topologickém jádru. přeběhnout hluboce zapojen do jeho stability.

Přestože SSB byl studován po dlouhou dobu, neexistuje obecné pochopení toho, jak se místní dřeně v buničině vyskytuje a jak ovlivňuje fyzikální vlastnosti topologických vad. Topologické vady se objevují nejen ve speciálních materiálech, jako jsou supravodiče, ale také v různých fyzikálních systémech, od relativně známých materiálů, jako jsou krystaly a tekuté krystaly, až po špičkové vědy a technologie, jako je nižší elektronika, a považují se za důležité v rotující neutronová hvězda a dynamika fázového přechodu v raném vesmíru. Existuje naděje, že nový vývoj v SSB, jako je objev Takeuchiho, nastane prostřednictvím vylepšení experimentálních technik a odpovídajícího vývoje v teorii a bude mít vlnový efekt na celé pole fyziky.

Uvádí Osaka City University