Учени показаха как три вихъра могат да бъдат свързани по начин, който не позволява те да бъдат разкъсани. Структурата на връзките наподобява модел, използван от викингите и други древни култури, въпреки че това изследване се фокусира върху вихри в специална форма на материята, известна като Бозе-Айнщайнов кондензат. Откритията имат значение за квантовите компютри, физиката на елементарните частици и други области.
Изследването е публикувано в списание Communications Physics.
Постдокторантът Тони Аннала (Toni Annala) използва струни и водни вихри, за да обясни явлението:
"Ако направите структура от връзки, да речем, от три непрекъснати струни в кръг, не можете да я разплетете, защото струната не може да премине през друга струна. От друга страна, ако същата структура се направи от вода, водните вихри могат да се сблъскат и да се слеят, ако нямат защита."
"В кондензата на Бозе-Айнщайн структурата на връзката е някъде по средата между двете", отбелязва Аннала, който започва да работи по този въпрос в изследователската група на професор Микко Мьотьонен (Mikko Möttönen) в Университета Аалто, преди да се върне в Университета на Британска Колумбия и след това в Института за напреднали изследвания в Принстън. В проучването участва и Роберто Замора-Замора (Roberto Zamora-Zamora), постдокторант в групата на Мьотьонен.
Изследователите демонстрират математически съществуването на структура от свързани вихри, които не могат да се разпаднат поради фундаменталните си свойства.
"Новият елемент тук е, че успяхме математически да конструираме три различни вихъра на потока, които са свързани, но не могат да преминат един през друг без топологични последствия. Ако вихрите се пресичат един друг, в пресечната точка ще се свързват вихрите и ще се консумира енергия. Това означава, че структурата не може лесно да се разруши", обяснява Мьотьонен.
От древността до космическите нишки
Структурата е концептуално подобна на пръстените на Боромеo - модел от три свързани кръга, който е широко използван в символиката и като герб. Символът на викингите, свързан с Один, има три триъгълника, свързани помежду си по подобен начин. Ако се премахне един от кръговете или триъгълниците, целият модел се разпада, тъй като останалите два не са пряко свързани. По този начин всеки елемент свързва двата си партньора, като стабилизира структурата като цяло.
Част от камъка Stora Hammars I в Готланд, представляващ така наречения валкнут (трите триъгълника), заедно с фигура с копие, което може да се тълкува като Один, придружено от нещо, което прилича на гарван. Кредит: Wikimedia Commons
Математическият анализ в това изследване показва как подобни стабилни структури биха могли да съществуват между възли или свързани вихри. Такива структури биха могли да се наблюдават в някои видове течни кристали или системи от кондензирана материя и биха могли да повлияят на начина, по който тези системи се държат и развиват.
"За наша изненада тези топологично защитени връзки и възли не бяха измислени преди. Вероятно това е така, защото структурата на връзките изисква вихри с три различни вида поток, което е много по-сложно от разглежданите досега системи с два вихъра", посочва Мьотьонен.
Тези открития могат един ден да помогнат за по-точното извършване на квантови изчисления. При топологичните квантови изчисления логическите операции ще се извършват чрез оплитане на различни видове вихри един около друг по различни начини.
"В нормалните течности възлите се разплитат, но в квантовите полета може да има възли с топологична защита, както откриваме сега", обяснява Мьотьонен.
Аннала добавя, че "един и същ теоретичен модел може да се използва за описание на структури в много различни системи, като например космическите струни в космологията".
Топологичните структури, използвани в изследването, съответстват и на вакуумните структури в квантовата теория на полето. Следователно резултатите могат да имат значение и за физиката на елементарните частици.
По-нататък изследователите планират да докажат теоретично съществуването на възли в Бозе-Айнщайнов кондензат, които да са топологично защитени от разпадане при експериментално осъществим сценарий.
"Съществуването на топологично защитени възли е един от фундаменталните въпроси на природата. След математическото доказателство можем да преминем към симулации и експериментални изследвания", споделя Мьотьонен.
Справка: Toni Annala et al, Topologically protected vortex knots and links, Communications Physics (2022). DOI: 10.1038/s42005-022-01071-2. www.nature.com/articles/s42005-022-01071-2
Източник: A peculiar protected structure links Viking knots with quantum vortices, Aalto University
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари