Hiromitsu Takeuchi, docent aan de Graduate School of Science, Universiteit van Osaka, en een onderzoeker aan het Nambu Yoichiro Institute of Theoretical and Experimental Physics (NITEP), heeft theoretisch de aard van een mysterieus topologisch defect geïdentificeerd dat wordt veroorzaakt door de recent ontdekte niet-evenwichtstijdevolutie van spontane symmetriebreking (SSB). Aangezien de SSB die in dit systeem wordt gerealiseerd, lijkt op de SSB waarvan bekend is dat deze voorkomt in isotrope supergeleiders en superfluïde 4He, er werd verwacht dat het topologische defecten met vortex-achtige eigenschappen in de vloeistof zou veroorzaken, kwantumwervels genoemd. Echter, het in dit experiment waargenomen topologische defect heeft een structuur die weinig lijkt op de eerder genoemde SSB, en zijn fysieke eigenschappen zijn gehuld in mysterie. In dit onderzoek, het idee om de Joukowski-transformatie toe te passen, die wordt gebruikt om de lift van vliegtuigvleugels te berekenen, aan kwantumwervels werd voor het eerst geïntroduceerd, en de analyse onthulde dat de meest stabiele toestand van dit mysterieuze topologische defect een nieuw topologisch defect is dat een kwantum-elliptische vortex wordt genoemd. De resultaten van dit onderzoek zijn online gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , beschouwd als een van de meest prestigieuze tijdschriften op het gebied van natuurkunde.

Een tijd- en ruimteafhankelijke functie die een "veld" wordt genoemd, wordt vaak gebruikt om de eigenschappen te beschrijven van fysieke systemen waarin SSB voorkomt. Als de beweging van het veld kan worden berekend, het gedrag van het systeem kan worden voorspeld. Echter, de berekening is over het algemeen moeilijk omdat de vrijheidsgraden van het veld oneindig zijn.

Een effectieve manier om de complexe beweging van een veld te beschrijven, is door de vrijheidsgraden weer te geven van een object dat erin zweeft, een topologisch defect genoemd. Het veld rond de "kern" van een topologisch defect heeft een bepaalde structuur. Daarom, door het centrum van de kern te beschrijven als de beweging van een massapunt, de beweging van het veld kan bij benadering worden voorspeld.

Deze situatie is vergelijkbaar met hoe de toekomstige verandering in windrichting tot op zekere hoogte kan worden voorspeld door naar het pad van het oog van een tyfoon te kijken. In materialen waar SSB typisch voorkomt, zoals supergeleiders en supervloeistoffen, deze "wind" komt overeen met stroom zonder weerstand en stroming zonder wrijving, respectievelijk. Aangezien de structuur van het veld rond de kern kan worden voorspeld volgens de symmetriebreking, men heeft gedacht dat het gedrag van topologische defecten, en daarmee het gedrag van het veld, kan worden begrepen als het breken van de symmetrie op een wereldwijde schaal wordt begrepen.

Een fenomeen dat dit idee weerlegt, werd onlangs waargenomen door de experimentele groep van professor Shin aan de Seoul National University [Phys. ds. Lett. 122, 095301 (2019)]. Aangezien de symmetriebreking in dit experimentele systeem vergelijkbaar is met die in bekende gewone supergeleiders en supervloeistoffen, de vorm van de kern van het topologische defect, een kwantumvortex genoemd, zal naar verwachting rond zijn als het oog van een tyfoon in een tweedimensionale doorsnede.

Echter, de werkelijke dwarsdoorsnedestructuur van het waargenomen fasedefect was totaal anders. Figuur 1 toont een experimentele foto van de structuur die overeenkomt met de dwarsdoorsnede van een topologisch defect veroorzaakt door een plotselinge faseovergang. Destijds, dit topologische defect werd beschouwd als een samenstelling van twee bekende topologische defecten (samengesteld defect) en werd geïnterpreteerd als een tijdelijke toestand die tijdelijk optreedt tijdens het faseovergangsproces nabij het kritieke punt.

In dit onderzoek, om de fysieke eigenschappen van het in het experiment waargenomen composietdefect te verduidelijken, Hiromitsu Takeuchi introduceerde het idee om de Joukowski-transformatie toe te passen, die wordt gebruikt om de lift van een vliegtuigvleugel te berekenen, naar de kwantumdraaikolk. Op basis van dit idee, het in het experiment waargenomen topologische defect wordt uiteindelijk gestabiliseerd als een nieuw topologisch defect dat een kwantum-elliptische vortex wordt genoemd. Gewone kwantumwervels hebben een rotatiesymmetrische stroming in hun dwarsdoorsnede, als een oog van een tyfoon (Fig. 2, links). Echter, de dwarsdoorsnede van de nieuw voorgestelde kwantum elliptische vortex breekt spontaan de rotatiesymmetrie en vormt een stroom langs de ellips. Eerder werd gedacht dat de externe vorm van een topologisch defect werd bepaald op basis van de manier waarop de globale SSB van het fysieke systeem optreedt, maar dit resultaat doet die perceptie duidelijk teniet.

Het is theoretisch bekend dat zo'n vreemde structuur optreedt nabij het kritieke punt van de faseovergang, en dat de lokale SSB in de kern van het topologische defect nauw betrokken is bij de stabiliteit ervan.

Hoewel SSB al lange tijd wordt bestudeerd, er is geen algemeen begrip van hoe de lokale SSB in de kern optreedt en hoe deze de fysieke eigenschappen van topologische defecten beïnvloedt. Topologische defecten komen niet alleen voor in speciale materialen zoals supergeleiders, maar ook in een verscheidenheid aan fysieke systemen, variërend van relatief bekende materialen zoals kristallen en vloeibare kristallen tot geavanceerde wetenschap en technologie zoals spintronica, en ze worden geacht een belangrijke rol te spelen in een roterende neutronenster en de faseovergangsdynamiek in het vroege heelal. Er is hoop dat nieuwe ontwikkelingen in SSB's, zoals de ontdekking van Takeuchi, zal worden bewerkstelligd door verbeteringen in experimentele technieken en overeenkomstige vooruitgang in theorie, en dat ze een rimpeleffect zullen hebben op het hele veld van de natuurkunde.