Физики обнаружили квантовую турбулентность, напоминающую «Звёздную ночь» Ван Гога

Вихревые узоры на картине Винсента Ван Гога «Звёздная ночь» помогают визуализировать квантовую неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (KHI). Центральная спираль и окружающие звёзды напоминают вихри, образующиеся на границе двух жидкостей. Полумесяц на картине даже может намекать на серповидные скирмионы, наблюдаемые в квантовой KHI. Автор: Public Domain

Картина Ван Гога «Звёздная ночь» уже более века вдохновляет ценителей искусства. Теперь её закрученные небеса могут говорить и с физиками, так как они отражают узоры квантовой турбулентности.

Физики из Университета Осаки и Корейского института передовых технологий впервые успешно наблюдали квантовую неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (KHI) — явление, предсказанное десятилетия назад, но ранее не замеченное в квантовых жидкостях. Эта неустойчивость создаёт экзотические вихревые узоры, известные как эксцентричные дробные скирмионы (EFS), чьи серповидные структуры напоминают луну на шедевре Ван Гога.

KHI — классическое явление в гидродинамике, где волны и вихри образуются на границе двух жидкостей, движущихся с разной скоростью — как в океанских волнах, закрученных облаках или небесах Ван Гога.

«Наше исследование началось с простого вопроса: может ли неустойчивость Кельвина-Гельмгольца возникать в квантовых жидкостях?» — сказал Хиромицу Такеучи, доцент Высшей школы науки Университета Осаки и один из ведущих авторов исследования.

Охладив газ лития почти до абсолютного нуля, учёные создали многокомпонентный конденсат Бозе-Эйнштейна — квантовую сверхтекучую жидкость — с двумя потоками, движущимися с разными скоростями. На их границе возник волнообразный узор, отражающий классическую турбулентность, но затем образовались вихри, подчиняющиеся странным законам квантовой механики и топологии.

Эти вихри оказались эксцентричными дробными скирмионами (EFS) — новым видом топологического дефекта.

«Обычно скирмионы симметричны и центрированы, — объяснил Такеучи. — Но EFS имеют серповидную форму и содержат встроенные сингулярности — точки, где обычная спиновая структура разрушается, создавая резкие искажения. Для меня большой полумесяц в правом верхнем углу «Звёздной ночи» выглядит в точности как EFS».

Скирмионы, впервые обнаруженные в магнитных материалах, привлекают всё больше внимания для использования в спинтронике и устройствах памяти благодаря своей стабильности, малому размеру и необычной динамике. Открытие нового типа скирмиона в сверхтекучей жидкости может иметь значение как для прикладных технологий, так и для понимания квантовых систем.

В дальнейшем команда планирует уточнить свои измерения. «С более точными экспериментами мы сможем проверить предсказания XIX века о длине волны и частоте KHI-индуцированных волн», — отметил Такеучи.

Исследователи также видят более широкий теоретический потенциал. «EFS бросают вызов традиционным топологическим классификациям, — сказал Такеучи. — Их встроенные сингулярности поднимают новые вопросы, и мы надеемся изучить, возникают ли подобные структуры в других многокомпонентных или многомерных системах».

Подробнее: Stable singular fractional skyrmion spin texture from the quantum Kelvin–Helmholtz instability, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02982-x

Источник: Osaka Metropolitan University