梵高《星夜》启示：全新量子涡旋的神秘发现

著名的美国作家艾萨克·阿西莫夫曾说过：“科学中有艺术，艺术中有科学的艺术。”一项新的研究通过强调文森特·梵高著名画作《星夜》与量子物理之间前所未有的联系，证明了这句话的正确性。

该研究的主要焦点是凯尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI），这是日常生活中观察到的一种现象，当两种流体以不同速度相互滑动时，会在云、河流或海洋表面形成波浪和漩涡。

“我们的研究始于一个简单的问题。凯尔文-亥姆霍兹不稳定性能在量子流体中出现吗？”研究的首席作者、大阪市立大学的副教授竹内宏光说。

到目前为止，没人真正观察到量子流体中的KHI。然而，目前研究的作者不仅首次捕捉到了它，还发现了被称为偏心分数斯凯尔米昂（EFSs）的弯月形涡旋，这与梵高的《星夜》中发光的月亮有着惊人的相似之处。

“斯凯尔米昂通常是对称且居中的，但EFSs具有弯月形状，并包含嵌入的奇点，即通常的自旋结构崩溃的点，造成明显的扭曲。对我来说，‘星夜’右上角的大弯月就像一个EFS，”竹内补充道。

在量子世界中重现湍流

在普通流体中，KHI出现在两个流动之间速度差异明显的地方。这个效应可以很容易地在波涛汹涌的海面或天空中的云彩的条纹中观察到。

然而，在量子流体中重现这个效应可不是件简单的事。量子流体，如玻色-爱因斯坦凝聚态或超流体，的行为遵循量子力学而非经典物理学。

它们没有粘度，其特性与微妙的量子态相关，这些量子态非常难以创建和控制。几十年来，这让我们在这些系统中直接观察KHI似乎变得遥不可及。

研究团队通过一种有趣的实验设置克服了这个挑战。他们将锂原子气体冷却到接近绝对零度的温度，迫使它们进入多组分的玻色-爱因斯坦凝聚态，这种状态下原子像一个单一的相干量子波那样行为。

他们将冷凝态安排成两个重叠的组分，以不同速度相互流动。在这些流动的交界处，开始形成波动模式，与经典KHI早期阶段紧密相关。

接下来发生的现象是全新的。在量子体系中，不稳定性不仅仅产生平滑的波；它生成了涡旋，其结构由系统的量子特性所决定。这些被称为EFSs，一种新的拓扑缺陷。

与磁性材料中发现的对称斯基尔米翁不同，EFSs是偏移的、弯月形的，且包含嵌入的奇点，即正常自旋模式突然失效的点，产生明显的扭曲。

研究团队表示：“这些斯基尔米翁源于与偏心自旋奇点相关的异常对称破缺现象，并携带半个基本电荷，这一特征使它们与传统的斯基尔米翁和梅龙有所不同。”

一种新型量子

斯凯尔米昂已经在自旋电子学（spintronics）中被研究，这是一种新兴领域，旨在通过控制粒子自旋而不是电流，来构建更快、更高效的数据存储和计算设备。

在量子流体中发现一种全新的斯凯尔米昂变体可能揭示出创造和操控此类结构的新方法。

此外，这项工作还为理论提出了新的问题。例如，EFS（拓扑量子结构，Exotic Fluctuating States）并不完全符合现有的拓扑分类，这表明我们对这些量子结构的理解仍不完整。

“我们的研究结果表明，经典和量子凯尔文-亥姆霍兹不稳定性之间存在普遍性，也让我们对拓扑量子系统中复杂的非线性动力学有了更深入的理解，”研究作者补充道。

研究人员现在计划进行更精确的实验，这将使他们能够测试一个多世纪前关于凯尔文-亥姆霍兹波的波长和频率的预测。他们还想看看在其他多组分或高维量子系统中是否会出现类似的涡旋。

简单来说，这个发现最初是对19世纪一件艺术作品的致敬，可能会改变21世纪物理学的一些领域。