Hiromitsu Takeuchi, en föreläsare vid Graduate School of Science, Osaka City University, och en forskare vid Nambu Yoichiro Institute of Theoretical and Experimental Physics (NITEP), har teoretiskt identifierat beskaffenheten av en mystisk topologisk defekt som orsakas av den nyligen upptäckta icke-jämviktsutvecklingen av spontan symmetribrytning (SSB). Eftersom SSB insåg i detta system är som SSB som har varit känt för att förekomma i isotropa superledare och superfluid 4He, det förväntades producera topologiska defekter med virvelliknande egenskaper i vätskan, kallas kvantvirvlar. Dock, den topologiska defekten som observerades i detta experiment har en struktur som inte liknade den tidigare nämnda SSB, och dess fysiska egenskaper har höljts i mystik. I denna forskning, tanken på att tillämpa Joukowski -transformen, som används för att beräkna lyft av flygplansvingar, för kvantvirvlar introducerades för första gången, och analysen avslöjade att det mest stabila tillståndet för denna mystiska topologiska defekt är en ny topologisk defekt som kallas en quantum elliptisk virvel. Resultaten av denna forskning publicerades online i Fysiska granskningsbrev , anses vara en av de mest prestigefyllda tidskrifterna inom fysik.

En tids- och rymdberoende funktion som kallas ett "fält" används vanligtvis för att beskriva egenskaperna hos fysiska system där SSB förekommer. Om fältets rörelse kan beräknas, systemets beteende kan förutses. Dock, beräkningen är i allmänhet svår eftersom fältets frihetsgrader är oändliga.

Ett effektivt sätt att beskriva den komplexa rörelsen i ett fält är att representera frihetsgraderna för ett objekt som flyter i det, kallas en topologisk defekt. Fältet runt "kärnan" i en topologisk defekt har en viss struktur. Därför, genom att beskriva mitten av kärnan som rörelsen av en masspunkt, fältets rörelse kan ungefär förutses.

Denna situation liknar hur den framtida förändringen i vindriktningen till viss del kan förutses genom att titta på vägen för en tyfons öga. I material där SSB vanligtvis förekommer, såsom superledare och supervätskor, denna "vind" motsvarar ström utan motstånd och flöde utan friktion, respektive. Eftersom fältets struktur runt kärnan kan förutses enligt symmetribrytningen, man har trott att beteendet hos topologiska defekter, och därmed fältets beteende, kan förstås om symmetribrytningen förstås på global skala.

Ett fenomen som motbevisar denna idé observerades nyligen av professor Shins experimentgrupp vid Seoul National University [Phys. Rev Lett. 122, 095301 (2019)]. Eftersom symmetribrytningen i detta experimentella system liknar den hos välkända vanliga superledare och supervätskor, formen på kärnan i den topologiska defekten, kallas en kvantvirvel, förväntas vara rund som ögat på en tyfon i ett tvådimensionellt tvärsnitt.

Dock, den faktiska tvärsnittsstrukturen av den fasdefekt som observerades var helt annorlunda. Figur 1 visar ett experimentellt fotografi av strukturen som motsvarar tvärsnittet av en topologisk defekt orsakad av en plötslig fasövergång. Just då, denna topologiska defekt ansågs vara en förening av två kända topologiska defekter (sammansatt defekt) och tolkades som ett övergående tillstånd som uppträder tillfälligt under fasövergångsprocessen nära den kritiska punkten.

I den här studien, för att klargöra de fysikaliska egenskaperna hos den sammansatta defekten som observerades i experimentet, Hiromitsu Takeuchi introducerade tanken på att tillämpa Joukowski -transformen, som används för att beräkna lyft av en flygplansvinge, till kvantvirveln. Baserat på denna idé, den topologiska defekten som observerades i experimentet stabiliseras så småningom som en ny topologisk defekt som kallas en kvantelliptisk virvel. Vanliga kvantvirvlar har ett rotationssymmetriskt flöde i sitt tvärsnitt, som ett öga på en tyfon (bild 2, vänster). Dock, tvärsnittet av den nyligen föreslagna kvanteliptiska virveln bryter spontant rotationssymmetrin och bildar ett flöde längs ellipsen. Man trodde tidigare att den yttre formen av en topologisk defekt bestämdes utifrån hur det fysiska systemets globala SSB uppstår, men detta resultat störtar klart den uppfattningen.

Det är teoretiskt känt att en sådan konstig struktur uppstår nära den kritiska punkten för fasövergången, och att den lokala SSB inuti kärnan av den topologiska defekten är djupt involverad i dess stabilitet.

Även om SSB har studerats under lång tid, det finns ingen allmän förståelse för hur den lokala SSB inuti kärnan uppstår och hur den påverkar de fysiska egenskaperna hos topologiska defekter. Topologiska defekter uppträder inte bara i speciella material som superledare, men också i en mängd olika fysiska system som sträcker sig från relativt välbekanta material som kristaller och flytande kristaller till banbrytande vetenskap och teknik som spintronics, och de anses spela viktiga roller i en roterande neutronstjärna och fasövergångsdynamiken i det tidiga universum. Det finns hopp om att ny utveckling inom SSB, som Takeuchis upptäckt, kommer att åstadkommas genom förbättringar av experimentella tekniker och motsvarande framsteg i teorin, och att de kommer att ha en ringverkande effekt på hela fysikområdet.