È stato rilevato un oggetto misterioso causato dalla rottura spontanea della simmetria

Hiromitsu Takeuchi, docente presso la Graduate School of Science, Osaka City University, e ricercatore presso il Nambu Yuichiro Institute for Theoretical and Experimental Physics (NITEP) ha teoricamente determinato la natura di un misterioso difetto topologico causato da un difetto topologico scoperto di recente. Evoluzione del tempo di equilibrio della rottura spontanea della simmetria (SSB). Poiché l’SSB è stato realizzato in questo sistema per essere simile all’SSB che era noto verificarsi nei superconduttori isotropi e nel superfluido 4He, ci si aspettava che producesse difetti topologici con proprietà simili a vortici nel fluido, chiamati vortici quantistici. Tuttavia, il difetto topologico osservato in questo esperimento ha una struttura che ha poche somiglianze con il già citato SSB, e le sue proprietà fisiche sono avvolte nel mistero. In questo articolo viene presentata per la prima volta l’idea di applicare la trasformata di Joukowski, che viene utilizzata per calcolare la forza di sollevamento delle ali di un aeroplano, ai vortici quantistici e l’analisi rivela che lo stato più stabile di questo misterioso topologico difetto è un nuovo stato. Un difetto topologico chiamato vortice ellittico quantistico. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati online su messaggi di revisione fisicaÈ considerata una delle riviste più prestigiose nel campo della fisica.

Una funzione dipendente dal tempo e dal luogo chiamata “campo” è comunemente usata per descrivere le proprietà dei sistemi fisici in cui si verifica SSB. Se è possibile calcolare il movimento del campo, è possibile prevedere il comportamento del sistema. Tuttavia, il calcolo è generalmente difficile perché i gradi di libertà del campo sono infiniti.

Un modo efficace per descrivere il movimento complesso di un campo è rappresentare i gradi di libertà di un oggetto in cui fluttua, chiamato difetto topologico. Il dominio attorno al “nucleo” del difetto topologico ha una certa struttura. Pertanto, descrivendo il centro del nucleo come il moto di un punto di massa, il moto della sfera può essere approssimativamente previsto.

Questa situazione è in qualche modo simile a come si può prevedere un futuro cambiamento nella direzione del vento osservando il percorso dell’occhio di un uragano. Nei materiali in cui si verifica tipicamente SSB, come superconduttori e superfluidi, questi “venti” corrispondono rispettivamente alla corrente senza resistenza e al flusso senza attrito. Poiché la struttura del dominio attorno al nucleo può essere prevista in base alla rottura della simmetria, si è pensato che il comportamento dei difetti topologici, e quindi il comportamento del campo, possa essere compreso se si comprende la rottura della simmetria su scala globale.

Un fenomeno che confuta questa idea è stato recentemente osservato dal gruppo sperimentale del professor Shin alla Seoul National University [Phys. Rev. Lett. 122, 095301 (2019)]. Poiché la rottura della simmetria in questo sistema sperimentale è simile a quella riscontrata nei superconduttori noti e nei superfluidi ordinari, la forma del nucleo del difetto topologico, chiamato vortice quantico, dovrebbe essere rotonda come l’occhio di un uragano in un bidimensionale sezione trasversale.

Tuttavia, l’effettiva struttura trasversale del difetto di fase osservato era piuttosto diversa. La Figura 1 mostra un’immagine sperimentale della corrispondente struttura in sezione trasversale di un difetto topologico causato da una brusca transizione di fase. A quel tempo, questo difetto topologico era considerato un composto di due difetti topologici noti (difetto composto) ed era interpretato come uno stato transitorio che si verifica temporaneamente durante il processo di transizione di fase vicino al punto critico.

In questo studio, per chiarire le proprietà fisiche del difetto complesso osservato nell’esperimento, Hiromitsu Takeuchi ha introdotto l’idea di applicare la trasformata di Joukowski, che viene utilizzata per calcolare la forza di portanza di un’ala di aeroplano, al vortice quantistico. Sulla base di questa idea, il difetto topologico osservato nell’esperimento è stato infine risolto come un nuovo difetto topologico chiamato vortice ellittico quantistico. I vortici quantistici ordinari hanno un flusso simmetrico rotazionale nella loro sezione trasversale, come l’occhio di un uragano (Fig. 2, a sinistra). Tuttavia, la sezione trasversale del vortice ellittico quantistico appena proposto rompe spontaneamente la simmetria rotazionale e forma un flusso lungo l’ellisse. In precedenza si pensava che la forma esterna del difetto topologico fosse determinata in base al modo in cui si verificava l’SSB globale del sistema fisico, ma questa scoperta ribalta chiaramente questa realizzazione.

È teoricamente noto che una struttura così peculiare si verifica in prossimità del punto critico della transizione di fase, e che l’SSB locale è all’interno del nucleo topologico. difetto profondamente coinvolto nella sua stabilità.

Sebbene l’SSB sia stato studiato a lungo, non esiste una comprensione generale di come l’SSB locale si verifichi all’interno della polpa e di come influenzi Proprietà fisiche di difetti topologici. I difetti topologici compaiono non solo in materiali speciali come i superconduttori, ma anche in una varietà di sistemi fisici che vanno da materiali relativamente familiari come cristalli e cristalli liquidi a scienza e tecnologia all’avanguardia come l’elettronica inferiore e si ritiene che svolgano ruoli importanti nel stella di neutroni rotanti e dinamiche di transizione di fase nell’universo primordiale. C’è speranza che nuovi sviluppi negli SSB, come la scoperta di Takeuchi, si verificheranno attraverso miglioramenti nelle tecniche sperimentali e corrispondenti sviluppi in teoria, e avranno un effetto a catena sull’intero campo della fisica.

Presentato dall’Università della città di Osaka