量子流体中首次观测到新型涡旋结构

  科技日报讯（记者张佳欣）梵高的名画《星空》百余年来拨动着无数艺术爱好者的心弦。那旋转涌动的夜空，似乎与物理学中量子湍流的纹理产生了耐人寻味的共鸣。日本大阪公立大学与韩国科学技术院研究团队首次在量子流体中观测到“量子开尔文—亥姆霍兹不稳定性”（KHI），并发现了一种形态酷似《星空》中弯月的新型涡旋结构，即偏心分数斯格明子（EFS）。这一现象早在数十年前便被理论预测，却从未在实验中直接观测到。相关论文发表在最新一期《自然·物理学》上。

  KHI是经典流体力学中的重要现象，当两种速度不同的流体在边界处相遇时，会形成波浪与涡旋。这种现象可在风吹起的海浪、翻卷的云层，甚至《星空》旋动的天空中找到。研究团队提出疑问：量子流体中也会发生类似的不稳定性吗？

  为验证这一设想，团队将锂原子气体冷却至接近绝对零度，制备出一种多组分玻色—爱因斯坦凝聚态（量子超流体），并在其中形成两股速度不同的流体。在它们的交界面上，首先出现了波状指形结构，类似经典湍流；随后，在量子力学与拓扑学规则的作用下，生成了特殊涡旋。

  团队发现，这些涡旋是一种此前未知的拓扑缺陷，即偏心分数斯格明子。与常见的对称、居中的斯格明子不同，EFS呈弯月形，还包含嵌入奇点。这些点打破了原有的自旋结构，造成尖锐畸变。他们表示，《星空》画作右上角的弯月，看起来就像一个EFS。

  斯格明子最早在磁性材料中被发现，因其稳定性高、尺寸小、动力学特性独特，在自旋电子学和存储器领域备受关注。此次在超流体中发现新型斯格明子，不仅为相关技术提供了新思路，也有助于拓展对量子体系的理解。

  团队计划在未来进行更高精度的测量，以验证19世纪有关KHI驱动界面波的波长和频率的理论预测。