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自発的対称性の破れによる不思議な物体が検出されました

تم الكشف عن كائن غامض ناتج عن كسر تلقائي للتناظر

図1:パンケーキの形をした2次元の「電磁容器」に閉じ込められた23Na超流動体の複合欠陥。 黒は、流体密度が高い領域を示します。 位相欠陥のコアは、画像の中央の白い領域に対応します。 彼に起因する: 物理学リット牧師。 122、095301(2019)

大阪市立大学大学院理学研究科講師、南武雄一郎理論実験物理研究所(NITEP)の研究員である竹内博光は、最近発見された位相欠陥によって引き起こされた不思議な位相欠陥の性質を理論的に決定しました。 自発的対称性の破れ(SSB)平衡時間の進化。 このシステムでは、SSBが等方性超伝導体や4He超流動で発生することが知られているSSBに類似していることがわかったため、量子渦と呼ばれる渦のような特性を持つ位相欠陥を流体に生成することが期待されました。 しかし、この実験で観察された位相欠陥は、前述のSSBとはほとんど似ていない構造をしており、その物性は謎に包まれています。 この論文では、飛行機の翼の揚力を計算するために使用されるJoukowski変換を量子渦に適用するというアイデアが初めて提示され、分析により、この神秘的なトポロジーの最も安定した状態が明らかになりました欠陥は新しい状態です。 量子楕円渦と呼ばれる位相欠陥。 この調査の結果は、オンラインで公開されました。 物理的なレビューメッセージ物理学の分野で最も権威のあるジャーナルの1つと見なされています。


「フィールド」と呼ばれる時間と場所に依存する関数は、SSBが発生する物理システムのプロパティを記述するために一般的に使用されます。 場の動きを計算できれば、システムの動作を予測できます。 ただし、フィールドの自由度は無限大であるため、一般に計算は困難です。

フィールドの複雑な動きを説明する効果的な方法の1つは、トポロジカル欠陥と呼ばれる、フィールドが浮いているオブジェクトの自由度を表すことです。 位相欠陥の「コア」の周りのドメインは、特定の構造を持っています。 したがって、コアの中心を質点の運動として記述することにより、球の運動を大まかに予測することができます。

この状況は、ハリケーンの目の経路を見ることによって、風向の将来の変化を予測する方法にいくぶん似ています。 超伝導体や超流動など、SSBが通常発生する材料では、これらの「風」は、それぞれ抵抗のない電流と摩擦のない流れに対応します。 対称性の破れによって核周辺のドメイン構造を予測できることから、対称性の破れを地球規模で理解すれば、位相欠陥の振る舞い、ひいては場の振る舞いを理解できると考えられてきました。

自発的対称性の破れによる不思議な物体が検出されました

図2:通常の回転対称量子渦(左)と量子楕円渦(右)の周りの流れ(数値演算)。 矢印は流れの方向を示します。 色が白いほど、流れが強くなります。 コアは破線で囲まれています。 背景色は、超流動場に対応する巨視的波動関数(複素関数)の位相θを表します。 クレジット:大阪市立大学

この考えに反論する現象は、最近、ソウル国立大学のシン教授の実験グループによって観察されました。 [Phys. Rev. Lett. 122, 095301 (2019)]. この実験系での対称性の破れは、既知の超伝導体や通常の超流動体に見られるものと類似しているため、量子渦と呼ばれる位相欠陥コアの形状は、2次元断面のハリケーンの目と同じくらい丸いと予想されます。 -セクション。

しかし、観察された位相欠陥の実際の横方向の構造はかなり異なっていました。 図1は、急激な相転移によって引き起こされた位相欠陥の対応する断面構造の実験画像を示しています。 当時、この位相欠陥は、2つの既知の位相欠陥(複合欠陥)の複合体と見なされ、臨界点近くの相転移プロセス中に一時的に発生する過渡状態として解釈されていました。

この研究では、実験で観察された複雑な欠陥の物理的特性を明らかにするために、竹内博光は、飛行機の翼の揚力を計算するために使用されるJoukowski変換を量子渦に適用するというアイデアを紹介しました。 この考えに基づいて、実験で観察された位相欠陥は、最終的に量子楕円渦と呼ばれる新しい位相欠陥として解決されました。 通常の量子渦は、ハリケーンの目のように、断面が回転対称の流れを持っています(図2、左)。 しかし、新しく提案された量子楕円渦の断面は、自発的に回転対称性を破り、楕円に沿ってフラックスを形成します。 トポロジカル欠陥の外形は、物理システムのグローバルSSBの発生方法に基づいて決定されると以前は考えられていましたが、この発見は明らかにこの認識を覆します。

このような特異な構造は相転移の臨界点付近で発生し、局所的なSSBはトポロジカルコア内にあることが理論的に知られています。 欠陥 その安定性に深く関わっています。

SSBは長い間研究されてきましたが、局所的なSSBが歯髄内でどのように発生し、それがどのように影響するかについての一般的な理解はありません。 物理的特性 トポロジー欠陥の。 位相欠陥は、超伝導体などの特殊な材料だけでなく、結晶や液晶などの比較的馴染みのある材料から、低電子などの最先端の科学技術に至るまで、さまざまな物理システムに現れ、初期宇宙における回転中性子星と相転移のダイナミクス。 竹内の発見など、SSBの新たな展開は、実験手法の改善とそれに対応する理論の展開を通じて起こり、物理学の分野全体に波及効果をもたらすことが期待されています。


トポロジー研究の新しい方向性が始まる準備ができています


詳しくは:
竹内博光、ボーズ・アインシュタインネマチック凝縮器における量子楕円渦、 物理的なレビューメッセージ (2021年)。 DOI:10.1103 / PhysRevLett.126.195302

大阪市立大学発表会

見積もり:自発的対称性の破れによって引き起こされた不思議な物体が検出されました(2021年6月10日)2021年6月10日https://phys.org/news/2021-06-mystery-spontaneous-symmetry-revealed.htmlから取得

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