“Starry Night” lượng tử: Các nhà vật lý phát hiện sự bất ổn khó nắm bắt và các xoáy lạ

Bức “The Starry Night” của danh họa Van Gogh đã thu hút những tâm hồn yêu nghệ thuật trong hơn một thế kỷ. Giờ đây, bầu trời đầy cuộn xoáy của nó có thể nói điều gì đó với các nhà vật lý, vì nó ẩn chứa tiếng vọng của những mẫu hình chảy rối lượng tử (quantum turbulence).

Các nhà vật lý tại ĐH Metropolitan Osaka và Viện KH&CN tiên tiến Hàn quốc lần đầu tiên quan sát một cách thành công bất ổn Kelvin–Helmholtz lượng tử (quantum Kelvin–Helmholtz instability KHI) – một hiện tượng đã được dự đoán hàng thập kỷ nhưng chưa từng thấy ở chất lỏng lượng tử. Sự bất ổn tạo ra những mẫu hình rối lạ mà người ta vẫn gọi là các skyrmion phân đoạn lệch tâm (eccentric fractional skyrmions) có các cấu trúc hình lưỡi liềm giống như mặt trăng trong kiệt tác của Van Gogh.

KHI là một hiện tượng cổ điển trong động lực học chất lỏng, nơi các sóng và cuộn xoáy hình thành ở đường biên giữa hai chất lỏng chuyển động tại những vận tốc khác nhau – như các con sóng trên đại dương bị gió thổi, những đám mấy xoắn hoặc bầu trời của Van Gogh.

“Nghiên cứu của chúng tôi bắt đầu với một câu hỏi đơn giản: Sự bất ổn Kelvin–Helmholtz có thể xảy ra ở chất lỏng lượng tử không?”,  Hiromitsu Takeuchi, một phó giáo sư tại ĐH Metropolitan Osaka và một trong những tác giả đầu của nghiên cứu, nói.

Bằng việc làm lạnh khí lithium tới gần độ không tuyệt đối, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một trạng thái Bose–Einstein đa thành phần – một siêu lỏng lượng tử – với hai dòng chảy ở các vận tốc khác nhau. Ở điểm giao của chúng, một mẫu hình sóng hình ngón tay đột sinh, hình ảnh gương của cuộn xoáy cổ điển nhưng sau đó các xoáy đó được tạo ra bị chi phối bởi những quy tắc lạ của cơ học lượng tử và topology.

Các xoáy đó lại trở thành các skyrmion phân đoạn lệch tâm (EFSs) – một dạng phát hiện mới của khuyết tật topo.

“Các skyrmion thông thường đối xứng và đồng tâm”, Takeuchi nói. “Nhưng EFSs có một hình dạng giống mặt trăng lưỡi liềm và chứa những dị thường bị ấn lõm – những điểm mmaf cấu trúc spin thông thường bị phá vỡ, tạo ra những biến dạng nhọn. Với tôi, mặt trăng lưỡi liềm lớn trong góc phải phía trên của bức “The Starry Night” chính  xác trông giống như một EFS”, Takeuchi nói.

Các skyrmion, được phát hiện lần đầy tiên trong những vật liệu từ, đang thu hút mối quan tâm ngày một lớn về khả năng hữu dụng trong điện tử học spin và thiết bị có ghi nhớ do tính bền, kích thước nhỏ và động lực học khác thường. Khám phá ra dạng skyrmion mới trong một chất lỏng chất lưu có thể có những gợi ý về các công nghệ ứng dụng và hiểu biết của chúng ta về các hệ lượng tử.

Nhìn về phía trước, nhóm nghiên cứu lên kế hoạch tinh chỉnh các đo lường của mình.

“Với những thực nghiệm chính xác hơn, chúng tôi có thể thử nghiệm những dự đoán của thế kỷ 19 về bước sóng  và tần số của các sóng ở điểm phân cách do KHI điều hướng”, Takeuchi nói.

Các nhà nghiên cứu cũng xem xét tiềm năng lý thuyết ở quy mô lớn hơn.

“EFSs thách thức các cách phân loại topo truyền thống”, Takeuchi nói. “Sự dị thường của nó làm dấy lên những câu hỏi mới, và chúng tôi hy vọng sẽ khám phá xem liệu các cấu trúc tương tự xuất hiện trong những hệ đa thành phần khác hoặc các hệ chiều bậc cao hơn sẽ như thế nào”.

Anh Vũ dịch từ ĐH Metropolitan Osaka

Nguồn: https://www.omu.ac.jp/en/info/research-news/entry-89249.html