科技日報記者 張佳欣

梵高的名畫《星空》百余年來撥動著無數(shù)藝術(shù)愛好者的心弦。那旋轉(zhuǎn)涌動的夜空，似乎與物理學(xué)中量子湍流的紋理產(chǎn)生了耐人尋味的共鳴。日本大阪公立大學(xué)與韓國科學(xué)技術(shù)院研究團隊首次在量子流體中觀測到“量子開爾文—亥姆霍茲不穩(wěn)定性”（KHI），并發(fā)現(xiàn)了一種形態(tài)酷似《星空》中彎月的新型渦旋結(jié)構(gòu)，即偏心分數(shù)斯格明子（EFS）。這一現(xiàn)象早在數(shù)十年前便被理論預(yù)測，卻從未在實驗中直接觀測到。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《自然·物理學(xué)》上。

KHI是經(jīng)典流體力學(xué)中的重要現(xiàn)象，當兩種速度不同的流體在邊界處相遇時，會形成波浪與渦旋。這種現(xiàn)象可在風(fēng)吹起的海浪、翻卷的云層，甚至《星空》旋動的天空中找到。研究團隊提出疑問：量子流體中也會發(fā)生類似的不穩(wěn)定性嗎？

為驗證這一設(shè)想，團隊將鋰原子氣體冷卻至接近絕對零度，制備出一種多組分玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)（量子超流體），并在其中形成兩股速度不同的流體。在它們的交界面上，首先出現(xiàn)了波狀指形結(jié)構(gòu)，類似經(jīng)典湍流；隨后，在量子力學(xué)與拓撲學(xué)規(guī)則的作用下，生成了特殊渦旋。

團隊發(fā)現(xiàn)，這些渦旋是一種此前未知的拓撲缺陷，即偏心分數(shù)斯格明子。與常見的對稱、居中的斯格明子不同，EFS呈彎月形，還包含嵌入奇點。這些點打破了原有的自旋結(jié)構(gòu)，造成尖銳畸變。他們表示，《星空》畫作右上角的彎月，看起來就像一個EFS。

斯格明子最早在磁性材料中被發(fā)現(xiàn)，因其穩(wěn)定性高、尺寸小、動力學(xué)特性獨特，在自旋電子學(xué)和存儲器領(lǐng)域備受關(guān)注。此次在超流體中發(fā)現(xiàn)新型斯格明子，不僅為相關(guān)技術(shù)提供了新思路，也有助于拓展對量子體系的理解。

團隊計劃在未來進行更高精度的測量，以驗證19世紀有關(guān)KHI驅(qū)動界面波的波長和頻率的理論預(yù)測。