Ett internationellt samarbete mellan forskare har skapat och observerat en helt ny klass av virvlar - de virvlande massorna av vätska eller luft.

Under ledning av forskare från Amherst College i USA och University of East Anglia och Lancaster University i Storbritannien beskriver deras nya artikel de första laboratoriestudierna av dessa "exotiska" virvlar i en ultrakall gas av atomer vid temperaturer så låga som tiotals miljarddelar av en grad över absoluta noll.

Upptäckten tillkännagavs denna vecka i tidskriften Nature Communications , kan ha spännande framtida implikationer för implementeringar av kvantinformation och beräkningar.

Virvlar är välbekanta föremål i naturen, från virvlar av vatten ner i ett badkars avlopp till luftflödet runt en orkan.

I kvantmekaniska system, som ett atomärt Bose-Einstein-kondensat, tenderar virvlarna att vara små och deras cirkulation kommer i diskreta, kvantiserade enheter. Sådana virvlar har länge varit föremål för fascination för fysiker och har hjälpt till att belysa de ovanliga egenskaperna hos superfluiditet och supraledning.

Den ovanliga karaktären hos de observerade virvlarna här beror dock på symmetrier i kvantgasen. En särskilt fascinerande egenskap hos fysikaliska teorier, från kosmologi till elementarpartiklar, är uppkomsten av asymmetriska världar trots perfekta underliggande symmetrier. Till exempel, när vatten fryser till is, ordnar sig oordnade molekyler i en vätska i en periodisk array.

Den rumsliga symmetrin i ett system är ofta lätt att identifiera - till exempel har en bikaka en periodisk uppsättning celler med hexagonal symmetri. Även om virvelmediet som används i detta nya arbete är en flytande snarare än en solid array, har den också en intern uppsättning dolda diskreta symmetrier. Till exempel hade en av lagets ultrakalla gaser den fyrfaldiga symmetrin av en fyrkant, och en annan hade den tetraedriska symmetrin av en fyrsidig tärning, bekant för spelare i fantasispel överallt.

"Massflödet och den underliggande symmetrin hos vätskan interagerar med varandra på intressanta sätt", säger Dr Magnus Borgh, docent i fysik vid UEA.

"En konsekvens är att om positionerna för två virvlar byts om kan de lämna ett spår av processen kvar i vätskan. Detta spår länkar samman de interagerande virvlarna permanent, som ett steg på en stege."

"Inga vanliga vätskor beter sig så här, och det kan vara så att analoga objekt bara finns djupt inuti neutronstjärnor", tillade prof. Janne Ruostekoski, vid Lancaster University. Teamet säger faktiskt att dessa skapade virvlar går utöver det senaste.

"Det är delvis dessa kopplingar till fysikens främmande domäner som gör vårt arbete tilltalande", säger professor David Hall från Amherst College. "Och delvis är det vår mänskliga uppskattning av symmetri."

Att observera dessa beteenden direkt har blivit fokus för teamets forskning, vars experimentella del är baserad på Amherst College.

"Vi har turen att ha extremt begåvade och hängivna studenter som kan göra den här typen av utmanande experiment", säger Prof. Hall, särskilt Arthur Xiao, huvudförfattaren till studien. + Utforska vidare

Forskare utvecklar en ny typ av kamera för att avbilda kvantvirvlar för första gången