9 آگوست 2025، عکس از نویسنده: روپندرا براهامبات -شب پرستاره، نقاشی اثر ونسان ون گوگ.
ویکی‌مدیا کامنز
نقاشی نمادین «شب پرستاره» اثر ون گوگ به کشف یک گرداب کوانتومی جدید کمک می‌کند، نویسنده مشهور آمریکایی، زمانی گفته بود: «هنری برای علم وجود دارد و علمی در هنر.» یک مطالعه جدید با برجسته کردن ارتباطی که قبلاً دیده نشده بین نقاشی معروف «شب پرستاره» اثر ونسان ون گوگ و فیزیک کوانتومی، این نقل قول را به درستی اثبات می‌کند.
تمرکز اصلی این مطالعه بر بی‌ثباتی کلوین-هلمهولتز (KHI) است، اثری که در دنیای روزمره مشاهده می‌شود، زمانی که دو سیال با سرعت‌های مختلف از کنار یکدیگر می‌لغزند و می‌توانند امواج و حلقه‌هایی را در ابرها، رودخانه‌ها یا سطوح اقیانوس ایجاد کنند.
هیرومیتسو تاکوچی، نویسنده اصلی مطالعه و استادیار دانشگاه متروپولیتن اوساکا، گفت: «تحقیقات ما با یک سوال ساده آغاز شد. آیا بی‌ثباتی کلوین-هلمهولتز می‌تواند در سیالات کوانتومی رخ دهد؟»
تا به حال، هیچ کس واقعاً KHI را در یک سیال کوانتومی ندیده بود. با این حال، نویسندگان مطالعه حاضر نه تنها آن را برای اولین بار ثبت کردند، بلکه گرداب‌های هلالی شکل، معروف به اسکایرمیون‌های کسری خارج از مرکز (EFS) را نیز کشف کردند که شباهت چشمگیری به ماه درخشان در نقاشی شب پرستاره ون گوگ دارند.
«اسکایرمیونها معمولاً متقارن و متمرکز هستند، اما EFSها شکلی هلالی دارند و حاوی تکینگی‌های تعبیه‌شده هستند، نقاطی که ساختار اسپین معمول در آنها می‌شکند و اعوجاج‌های شدیدی ایجاد می‌کند. از نظر من، هلال ماه بزرگ در گوشه بالا سمت راست «شب پرستاره» دقیقاً شبیه یک EFS است.»
در سیالات معمولی، KHI هر جا که اختلاف سرعت شدیدی بین دو جریان وجود داشته باشد، ظاهر می‌شود. این اثر را می‌توان به راحتی در موج‌های دریاهای مواج یا رگه‌های ابرها در آسمان مشاهده کرد.با این حال، بازتولید این اثر در یک سیال کوانتومی به هیچ وجه ساده نیست. سیالات کوانتومی، مانند چگالش بوز-اینشتین یا ابرسیال‌ها، طبق مکانیک کوانتومی رفتار می‌کنند نه فیزیک کلاسیک.
آنها ویسکوزیته ندارند و خواص آنها به حالت‌های کوانتومی ظریفی گره خورده است که ایجاد و کنترل آنها به طرز چشمگیری دشوار است. برای دهه‌ها، این امر مشاهده مستقیم KHI در چنین سیستم‌هایی را دور از دسترس جلوه می‌داد.
نویسندگان این مطالعه با استفاده از یک چیدمان جالب بر این چالش غلبه کردند. آنها گازی از اتم‌های لیتیوم را تا دمایی کمی بالاتر از صفر مطلق سرد کردند و آن را به یک چگالش بوز-اینشتین چند جزئی تبدیل کردند، فازی که در آن اتم‌ها مانند یک موج کوانتومی منسجم عمل می‌کنند.
آنها چگالش را به دو جزء همپوشانی که با سرعت‌های مختلف از کنار یکدیگر عبور می‌کردند، مرتب کردند. در مرز بین این جریان‌ها، الگوهای موج‌دار شروع به شکل‌گیری کردند که به طور دقیق مراحل اولیه KHI کلاسیک را منعکس می‌کرد.
آنچه که بعداً اتفاق افتاد کاملاً جدید بود. در محیط کوانتومی، ناپایداری فقط امواج صاف ایجاد نمی‌کرد؛ بلکه گرداب‌هایی ایجاد می‌کرد که ساختار آنها توسط ماهیت کوانتومی سیستم تعیین می‌شد. اینها به EFS تبدیل شدند، نوع جدیدی از نقص توپولوژیکی.
برخلاف اسکایرمیون‌های متقارن موجود در مواد مغناطیسی، EFSها دارای انحراف، هلالی شکل و دارای تکینگی‌های تعبیه شده بودند، نقاطی که الگوی اسپین معمولی به طور ناگهانی در آنها شکسته می‌شد و اعوجاج‌های شدیدی ایجاد می‌کرد.
نویسندگان این مطالعه گفتند: «این اسکایرمیونها از شکست تقارن غیرعادی مرتبط با تکینگی اسپینی خارج از مرکز پدیدار می‌شوند و نیمی از بار بنیادی را حمل می‌کنند – ویژگی‌ای که آنها را از اسکایرمیونها و مرون‌های مرسوم متمایز می‌کند.»
اسکایرمیونها در حال حاضر به دلیل پتانسیلشان در اسپینترونیک، حوزه نوظهوری که با کنترل اسپین ذرات به جای جریان‌های الکتریکی، قصد ساخت دستگاه‌های ذخیره‌سازی و محاسباتی سریع‌تر و کارآمدتر داده‌ها را دارد، مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
یافتن یک نوع کاملاً جدید از اسکایرمیون در یک سیال کوانتومی می‌تواند به روش‌های کشف نشده‌ای برای ایجاد و دستکاری چنین ساختارهایی اشاره کند.
علاوه بر این، این کار همچنین سوالات جدیدی را برای نظریه ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، EFSها به طور کامل در طبقه‌بندی‌های توپولوژیکی موجود جای نمی‌گیرند، که نشان می‌دهد درک ما از چنین ساختارهای کوانتومی ناقص است.
نویسندگان این مطالعه افزودند: «نتایج ما جهانی بودن بین ناپایداری‌های کلوین-هلمهولتز کلاسیک و کوانتومی را تأیید می‌کند و درک ما را از دینامیک غیرخطی پیچیده برای یک بافت غیربدیهی در سیستم‌های کوانتومی توپولوژیکی گسترش می‌دهد.»
محققان اکنون قصد دارند آزمایش‌های دقیق‌تری انجام دهند که به آنها اجازه می‌دهد پیش‌بینی‌های انجام شده بیش از یک قرن پیش در مورد طول موج‌ها و فرکانس‌های امواج کلوین-هلمهولتز را آزمایش کنند. آنها همچنین علاقه‌مندند ببینند که آیا گرداب‌های مشابهی در سایر سیستم‌های کوانتومی چند جزئی یا با ابعاد بالاتر ظاهر می‌شوند یا خیر.
به طور خلاصه، کشفی که با اشاره به یک اثر هنری قرن نوزدهم آغاز شد، ممکن است در نهایت بخش‌هایی از فیزیک قرن بیست و یکم را تغییر شکل دهد.
این مطالعه در مجله Nature Physics منتشر شده است.
