Een mysterieus object veroorzaakt door spontane symmetriebreking is gedetecteerd

Hiromitsu Takeuchi, docent aan de Graduate School of Science, Osaka City University, en onderzoeker aan het Nambu Yuichiro Institute for Theoretical and Experimental Physics (NITEP) heeft theoretisch de aard bepaald van een mysterieus topologisch defect veroorzaakt door een recent ontdekt topologisch defect. Evolutie van spontane symmetriebreking (SSB) evenwichtstijd. Omdat SSB in dit systeem werd gerealiseerd als vergelijkbaar met de SSB waarvan bekend was dat deze voorkomt in isotrope supergeleiders en de 4He-superfluïde, werd verwacht dat het topologische defecten zou veroorzaken met vortex-achtige eigenschappen in de vloeistof, kwantumwervels genoemd. Het topologische defect dat in dit experiment is waargenomen, heeft echter een structuur die weinig lijkt op de eerder genoemde SSB, en de fysieke eigenschappen ervan zijn gehuld in mysterie. In dit artikel wordt voor het eerst het idee gepresenteerd om de Joukowski-transformatie, die wordt gebruikt om de hefkracht van de vleugels van een vliegtuig te berekenen, op kwantumwervels toe te passen, en de analyse onthult dat de meest stabiele toestand van deze mysterieuze topologische defect is een nieuwe staat. Een topologisch defect dat een kwantum-elliptische vortex wordt genoemd. De resultaten van dit onderzoek zijn online gepubliceerd op: fysieke beoordelingsberichtenHet wordt beschouwd als een van de meest prestigieuze tijdschriften op het gebied van natuurkunde.

Een tijd- en plaatsafhankelijke functie genaamd “veld” wordt vaak gebruikt om de eigenschappen te beschrijven van fysieke systemen waarin SSB voorkomt. Als de veldbeweging kan worden berekend, kan het gedrag van het systeem worden voorspeld. De berekening is echter over het algemeen moeilijk omdat de vrijheidsgraden van het veld oneindig zijn.

Een effectieve manier om de complexe beweging van een veld te beschrijven, is door de vrijheidsgraden weer te geven van een object waarin het zweeft, een topologisch defect genoemd. Het domein rond de “kern” van het topologische defect heeft een bepaalde structuur. Daarom, door het centrum van de kern te beschrijven als de beweging van een massapunt, kan de beweging van de bol ruwweg worden voorspeld.

Deze situatie lijkt enigszins op hoe een toekomstige verandering in windrichting kan worden voorspeld door naar het pad van het oog van een orkaan te kijken. In materialen waarin SSB typisch voorkomt, zoals supergeleiders en supervloeistoffen, komen deze “winden” overeen met respectievelijk stroom zonder weerstand en stroming zonder wrijving. Aangezien de domeinstructuur rond de kern kan worden voorspeld volgens het breken van de symmetrie, is gedacht dat het gedrag van topologische defecten, en dus het gedrag van het veld, kan worden begrepen als het breken van de symmetrie op een wereldwijde schaal wordt begrepen.

Een fenomeen dat dit idee weerlegt, werd onlangs waargenomen door de experimentele groep van professor Shin aan de Seoul National University [Phys. Rev. Lett. 122, 095301 (2019)]. Aangezien de symmetriebreking in dit experimentele systeem vergelijkbaar is met die in bekende supergeleiders en gewone supervloeistoffen, wordt verwacht dat de vorm van de topologische defectkern, een kwantumvortex genaamd, zo rond is als het oog van een orkaan in een tweedimensionale dwarsdoorsnede.

De feitelijke dwarsstructuur van het waargenomen fasedefect was echter heel anders. Figuur 1 toont een experimenteel beeld van de overeenkomstige dwarsdoorsnedestructuur van een topologisch defect veroorzaakt door een abrupte faseovergang. Op dat moment werd dit topologische defect beschouwd als een samenstelling van twee bekende topologische defecten (samengesteld defect) en werd het geïnterpreteerd als een tijdelijke toestand die tijdelijk optreedt tijdens het faseovergangsproces nabij het kritieke punt.

Om de fysieke eigenschappen van het in het experiment waargenomen complexe defect te verduidelijken, introduceerde Hiromitsu Takeuchi in deze studie het idee om de Joukowski-transformatie, die wordt gebruikt om de liftkracht van een vliegtuigvleugel te berekenen, op de kwantumvortex toe te passen. Op basis van dit idee werd het in het experiment waargenomen topologische defect uiteindelijk opgelost als een nieuw topologisch defect, de kwantum-elliptische vortex. Gewone kwantumwervels hebben een rotatiesymmetrische stroming in hun dwarsdoorsnede, zoals het oog van een orkaan (Fig. 2, links). De dwarsdoorsnede van de nieuw voorgestelde kwantum elliptische vortex breekt echter spontaan de rotatiesymmetrie en vormt een flux langs de ellips. Eerder werd gedacht dat de uiterlijke vorm van het topologische defect werd bepaald op basis van de manier waarop de globale SSB van het fysieke systeem plaatsvond, maar deze bevinding doet dit besef duidelijk teniet.

Het is theoretisch bekend dat zo’n eigenaardige structuur optreedt nabij het kritieke punt van de faseovergang, en dat de lokale SSB zich binnen de topologische kern bevindt. defect nauw betrokken bij de stabiliteit ervan.

Hoewel SSB al lange tijd wordt bestudeerd, is er geen algemeen begrip van hoe lokale SSB in de pulpa voorkomt en hoe het de fysieke eigenschappen van topologische defecten. Topologische defecten komen niet alleen voor in speciale materialen zoals supergeleiders, maar ook in een verscheidenheid aan fysieke systemen, variërend van relatief bekende materialen zoals kristallen en vloeibare kristallen tot geavanceerde wetenschap en technologie zoals lagere elektronica, en worden geacht een belangrijke rol te spelen in roterende neutronenster en faseovergangsdynamiek in het vroege heelal. Er is hoop dat nieuwe ontwikkelingen in SSB’s, zoals de ontdekking van Takeuchi, zullen plaatsvinden door verbeteringen in experimentele technieken en overeenkomstige ontwikkelingen in de theorie, en een rimpeleffect zullen hebben op het hele veld van de natuurkunde.

Gepresenteerd door Osaka City University