Neue Quanten-Whirlpools mit tetraedrischen Symmetrien in einem Suprafluid entdeckt

Eine internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern hat eine völlig neue Klasse von Wirbeln geschaffen und beobachtet – die wirbelnden Massen von Flüssigkeiten oder Luft.

Unter der Leitung von Forschern des Amherst College in den USA und der University of East Anglia und der Lancaster University im Vereinigten Königreich beschreibt ihr neues Papier die ersten Laborstudien dieser „exotischen“ Strudel in einem ultrakalten Atomgas bei Temperaturen von nur zehn Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Die Entdeckung, diese Woche in der Zeitschrift angekündigt Naturkommunikationkönnen aufregende zukünftige Implikationen für Implementierungen von Quanteninformation und Computing haben.

Wirbel sind vertraute Objekte in der Natur, von Wasserstrudeln in einem Badewannenabfluss bis zum Luftstrom um einen Hurrikan.

In quantenmechanischen Systemen wie einem atomaren Bose-Einstein-Kondensat sind die Wirbel in der Regel winzig und ihre Zirkulation erfolgt in diskreten, quantisierten Einheiten. Solche Wirbel sind seit langem Objekte der Faszination für Physiker und haben dazu beigetragen, die ungewöhnlichen Eigenschaften von Suprafluidität und Supraleitung zu beleuchten.

Die ungewöhnliche Natur der hier beobachteten Whirlpools ist jedoch auf Symmetrien im Quantengas zurückzuführen. Eine besonders faszinierende Eigenschaft physikalischer Theorien, von der Kosmologie bis zu den Elementarteilchen, ist das Auftreten asymmetrischer Welten trotz perfekter zugrunde liegender Symmetrien. Wenn beispielsweise Wasser zu Eis gefriert, ordnen sich ungeordnete Moleküle in einer Flüssigkeit in einer periodischen Anordnung an.

Die räumliche Symmetrie eines Systems ist oft leicht zu identifizieren – zum Beispiel hat eine Wabe eine periodische Anordnung von Zellen mit hexagonaler Symmetrie. Obwohl das in dieser neuen Arbeit verwendete Wirbelmedium eher eine Flüssigkeit als eine feste Anordnung ist, besitzt es auch einen internen Satz verborgener diskreter Symmetrien. Zum Beispiel hatte eines der ultrakalten Gase des Teams die vierfache Symmetrie eines Quadrats und ein anderes die tetraedrische Symmetrie eines vierseitigen Würfels, die Spielern von Fantasy-Spielen überall vertraut ist.

„Der Massenfluss und die zugrunde liegende Symmetrie der Flüssigkeit interagieren auf interessante Weise miteinander“, sagte Dr. Magnus Borgh, außerordentlicher Professor für Physik an der UEA.

„Eine Folge davon ist, dass, wenn die Positionen zweier Wirbel vertauscht werden, sie eine Spur des Prozesses in der Flüssigkeit hinterlassen können. Diese Spur verbindet die interagierenden Wirbel dauerhaft miteinander, wie eine Sprosse in einer Leiter.“

„Keine gewöhnlichen Flüssigkeiten verhalten sich so, und es kann sein, dass analoge Objekte nur tief im Inneren von Neutronensternen existieren“, fügte Prof. Janne Ruostekoski von der Lancaster University hinzu. Tatsächlich sagt das Team, dass diese erzeugten Wirbel über den Stand der Technik hinausgehen.

„Zum Teil sind es diese Verbindungen zu den fremden Bereichen der Physik, die unsere Arbeit attraktiv machen“, sagte Prof. David Hall vom Amherst College. „Und zum Teil ist es unsere menschliche Wertschätzung für Symmetrie.“

Die direkte Beobachtung dieser Verhaltensweisen ist zum Schwerpunkt der Forschung des Teams geworden, deren experimenteller Teil am Amherst College angesiedelt ist.

„Wir haben das Glück, extrem talentierte und engagierte Studenten zu haben, die diese Art von herausfordernden Experimenten durchführen können“, sagte Prof. Hall und lobte insbesondere Arthur Xiao, den Hauptautor der Studie.