Den som har dränerat ett badkar eller rört ut grädde i kaffe har sett en virvel, en allestädes närvarande formation som uppstår när vätska cirkulerar. Men till skillnad från vatten, vätskor som styrs av kvantmekanikens märkliga regler har en speciell begränsning:som först förutspåddes 1945 av den framtida Nobelvinnaren Lars Onsager, en virvel i en kvantvätska kan bara vrida sig med heltalsenheter.

Dessa roterande strukturer förutspås vara allmänt användbara för att studera allt från kvantsystem till svarta hål. Men medan den minsta möjliga kvantvirveln, med en enda rotationsenhet, har setts i många system, större virvlar är inte stabila. Medan forskare har försökt tvinga större virvlar att hålla ihop sig, resultaten har blandats:när virvlarna har bildats, Allvarligheten hos de använda metoderna har i allmänhet förstört deras användbarhet.

Nu, Samuel Alperin och professor Natalia Berloff från University of Cambridge har upptäckt en teoretisk mekanism genom vilken gigantiska kvantvirvlar inte bara är stabila utan bildas av sig själva i annars nästan enhetliga vätskor. Resultaten, publiceras i tidskriften Optica , skulle kunna bana väg för experiment som kan ge insikt i naturen hos roterande svarta hål som har likheter med gigantiska kvantvirvlar.

Att göra detta, forskarna använde en kvanthybrid av ljus och materia, kallas en polariton. Dessa partiklar bildas genom att laserljus lyser på specialskiktade material. "När ljuset fastnar i lagren, ljuset och materien blir oskiljaktiga, och det blir mer praktiskt att se den resulterande substansen som något som är skilt från antingen ljus eller materia, samtidigt som de ärver egenskaper hos båda, sa Alperin, en Ph.D. student vid Cambridges institution för tillämpad matematik och teoretisk fysik.

En av de viktigaste egenskaperna hos polaritoner kommer från det enkla faktum att ljus inte kan fångas för alltid. En vätska av polaritoner, som kräver en hög densitet av de exotiska partiklarna, skjuter ständigt ut ljus, och behöver matas med nytt ljus från lasern för att överleva. "Resultatet, sa Alperin, "är en vätska som aldrig får sedimentera, och som inte behöver lyda vad som vanligtvis är grundläggande begränsningar inom fysiken, som att spara energi. Här kan energin förändras som en del av vätskans dynamik."

Det var exakt dessa konstanta flöden av flytande ljus som forskarna utnyttjade för att låta den svårfångade jättevirveln bildas. Istället för att lysa lasern på själva polaritonvätskan, det nya förslaget har ljuset format som en ring, orsakar ett konstant inåtflöde liknande hur vatten rinner till ett badkarsavlopp. Enligt teorin, detta flöde är tillräckligt för att koncentrera varje rotation till en enda gigantisk virvel.

"Att den gigantiska virveln verkligen kan existera under förhållanden som är mottagliga för deras studier och tekniska användning var ganska överraskande, "Alperin sa, "men egentligen visar det bara hur helt distinkt polaritonernas hydrodynamik är från mer välstuderade kvantvätskor. Det är spännande territorium."

Forskarna säger att de bara är i början av sitt arbete med gigantiska kvantvirvlar. De kunde simulera kollisionen av flera kvantvirvlar när de dansar runt varandra med ständigt ökande hastighet tills de kolliderar och bildar en enda gigantisk virvel som är analog med kollisionen av svarta hål. De förklarade också instabiliteterna som begränsar den maximala virvelstorleken samtidigt som de utforskade intrikata fysik av virvelbeteendet.

"Dessa strukturer har några intressanta akustiska egenskaper:de har akustiska resonanser som beror på deras rotation, så de liksom sjunger information om sig själva, " sade Alperin. "Matematiskt, det är ganska analogt med hur roterande svarta hål utstrålar information om sina egna egenskaper."

Forskarna hoppas att likheten kan leda till nya insikter i teorin om kvantvätskedynamik, men de säger också att polaritoner kan vara ett användbart verktyg för att studera beteendet hos svarta hål.