Kwantowe osobliwości. Struktury łamiące zasady
Nowo odkryte formacje różnią się fundamentalnie od wszystkiego, co dotąd znaliśmy. Przenoszą połowę elementarnego ładunku, cechę, która stawia je w zupełnie innej klasie niż konwencjonalne skyrmiony. Dla porównania, znane dotychczas struktury zawsze miały ładunek całkowity, co wynikało z podstaw fizyki. Czym właściwie są skyrmiony? To wirowe układy spinowe, przypominające kwantowe “węzły” w polu magnetycznym, zachowujące się jak cząstki. Nowe struktury powstają w zaskakujący sposób. Ma to miejsce poprzez emisję ze ściany domeny magnetycznej lub spontaniczne rozszczepienie pełnego skyrmionu. Wyobraźmy to sobie jako samodzielne “przecięcie” kwantowej struktury na pół. Do tej pory panowało przekonanie, iż chodzi o proces, który nie powinien prowadzić do stabilnych tworów.
Czytaj też: Pd5AlI2 wywraca do góry nogami fizykę kwantową. Badacze z Columbia University znaleźli nową drogę
Obserwacji dokonano w specyficznych warunkach: podczas występowania kwantowej niestabilności Kelvina-Helmholtza. To odpowiednik zjawiska znanego z hydrodynamiki, gdzie płyny o różnych prędkościach tworzą wiry. W skali kwantowej przybiera ono znacznie bardziej złożone formy. Badacze wykazali istnienie uniwersalności między klasycznymi i kwantowymi wersjami tej niestabilności. Oznacza to, że podobne wzorce występują zarówno w makroskopowych układach, jak i w kwantowych kondensatach.
Nowe perspektywy dla fizyki topologicznej i zadziwiająca trwałość
Najbardziej zaskakuje niezwykła trwałość tych struktur. Osobliwe skyrmiony utrzymują się do 2 sekund, co w świecie zjawisk kwantowych jest prawie jak wieczność. Dla porównania, większość egzotycznych wzbudzeń rozpada się w ułamkach sekundy. Ta stabilność wzbudza ogromne zainteresowanie ze względu na szereg potencjalnych zastosowań, szczególnie w układach przetwarzania informacji kwantowej. Ale najpierw fizycy będą musieli przebyć wyboistą drogę od laboratoryjnych eksperymentów do praktycznych zastosowań. Odkrycie rzuca nowe światło na złożoną dynamikę w topologicznych układach kwantowych. Dotychczas podobne struktury proponowano jedynie teoretycznie dla nadciekłego helu-3 czy kondensatów Bosego-Einsteina. Teraz po raz pierwszy uzyskano eksperymentalne potwierdzenie ich istnienia.
Czytaj też: Duński przełom w fizyce kwantowej. 60-letnia zagadka nadprzewodnictwa rozwiązana
Obserwacja potwierdza również zjawisko anomalnego łamania symetrii w układach kwantowych. Gdyby udało się opanować kontrolowane tworzenie takich struktur, mogłoby to prowadzić do nowych typów pamięci kwantowych lub procesorów wykorzystujących topologiczne właściwości materii. Praca międzynarodowego zespołu stojącego za ostatnimi doniesieniami stanowi ważny krok w łączeniu teorii z eksperymentem. Odkrycie ułamkowych skyrmionów spinowych nie tylko poszerza naszą wiedzę o fundamentalnych prawach natury, ale także wskazuje konkretne kierunki rozwoju technologii przyszłości. Szczegółowe ustalenia na ten temat zostały zamieszczone na łamach Nature Physics.