Известно, что квантовые жидкости, например, сверхпроводники или конденсаты Бозе-Эйнштейна могут содержать внутри стабильные завихрения, которые не исчезают со временем. Группа австралийских ученых в своей теоретической работе разобрала причины возникновения подобных вихрей, а также предложила методику создания гораздо более сложных структур. Учитывая, что поведение квантовых жидкостей описывается рядом простых математических правил, применимых и к другим системам, разработанная теория может иметь отклики в сферах, посвященных изучению магнитных материалов, элементарных частиц и даже космологии.

В обычных жидкостях молекулы ориентированы случайным образом. Однако существует целый класс жидкостей, где присутствует так называемый дальний порядок (свойственный кристаллическим структурам). Примером этого феномена могут служить жидкие кристаллы или сверхтекучий гелий. Характеризовать «упорядоченность» структуры подобной жидкости принято при помощи параметра порядка, который может иметь разные значения в различных точках жидкости, однако изменяется чаще всего гладким образом. К примеру, в упомянутых выше жидких кристаллах, где вытянутые по форме молекулы склонны ориентироваться вдоль своих «соседей», параметр порядка является вектором, направление которого совпадает с ориентацией молекул. В сверхтекучем гелии порядок – комплексное число, описывающее квантовое состояние жидкости в каждой точке.

Многие свойства материалов (например, электрическое сопротивление сверхпроводников) определяются так называемыми «топологическими дефектами» параметра порядка, т.е. его резкими изменениями в пространстве. Например, вихрь в сверхпроводнике является топологическим дефектом, который достаточно легко можно переместить в пространстве, но не так-то просто устранить.

Важный факт состоит в том, что пока математическое описание дефектов совпадает, их поведение так же будет совпадать. А вот создание новых типов топологических дефектов, вероятно, помогло бы выявить некие новые свойства и проникнуть глубже в суть данного вопроса. Способ контролируемо создавать новые топологические дефекты в лабораторных условиях предложила группа австралийских ученых. Полные результаты своей работы ученые опубликовали в статье в журнале Physical Review Letters.

Их предложение основано на недавно продемонстрированной технике создания вихрей в конденсатах Бозе-Эйнштейна (ультра-холодном облаке атомов, имеющих только одно квантово-механическое состояние). На первом шаге ученые фиксировали атомы ультра-холодного газа в трех лазерных ловушках, расположенных в вершинах равностороннего треугольника. Как только ловушки выключаются, газ, заключенный в них, начинает расширяться в окружающее пространство. В местах, где облака перекрываются, формируется интерференционная картина. Однако вместо классических максимумов и минимумов, картина представляет собой сотовидную структуру с вихрями, направленными как по, так и против часовой стрелки.

В ближайшем будущем группа планирует расширить свою технику на конденсаты, имеющие два отдельных компонента (атомы с двумя различными структурами). Каждая компонента в таких конденсатах формирует свою собственную квантовую жидкость с собственным параметром порядка. Т.е. в каждой точке пространства порядок описывается двумя числами. Однако математические свойства параметра порядка остаются теми же, что и в случае однокомпонентного конденсата. Двухкомпонентные конденсаты откроют ученым путь к созданию гораздо более сложных структур из вихрей (топологических дефектов).