Hiromitsu Takeuchi, docente presso la Graduate School of Science, Università della città di Osaka, e ricercatore presso il Nambu Yoichiro Institute of Theoretical and Experimental Physics (NITEP), ha teoricamente identificato la natura di un misterioso difetto topologico prodotto dall'evoluzione nel tempo di non equilibrio della rottura spontanea della simmetria (SSB) recentemente scoperta. Poiché l'SSB realizzato in questo sistema è come l'SSB che è noto per verificarsi nei superconduttori isotropi e nel superfluido 4He, ci si aspettava che producesse difetti topologici con proprietà simili a vortici nel fluido, chiamati vortici quantistici. Però, il difetto topologico osservato in questo esperimento ha una struttura che somigliava poco al già citato SSB, e le sue proprietà fisiche sono state avvolte nel mistero. In questa ricerca, l'idea di applicare la trasformata di Joukowski, che viene utilizzato per calcolare il sollevamento delle ali degli aeroplani, ai vortici quantistici è stato introdotto per la prima volta, e l'analisi ha rivelato che lo stato più stabile di questo misterioso difetto topologico è un nuovo difetto topologico chiamato vortice ellittico quantistico. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati online in Lettere di revisione fisica , considerata una delle riviste più prestigiose nel campo della fisica.

Una funzione dipendente dal tempo e dallo spazio chiamata "campo" è comunemente usata per descrivere le proprietà dei sistemi fisici in cui si verifica SSB. Se è possibile calcolare il moto del campo, è possibile prevedere il comportamento del sistema. Però, il calcolo è generalmente difficile perché i gradi di libertà del campo sono infiniti.

Un modo efficace per descrivere il movimento complesso di un campo è rappresentare i gradi di libertà di un oggetto che fluttua in esso, detto difetto topologico. Il campo attorno al "nucleo" di un difetto topologico ha una certa struttura. Perciò, descrivendo il centro del nucleo come il moto di un punto di massa, il moto del campo può essere approssimativamente previsto.

Questa situazione è simile a come il futuro cambiamento nella direzione del vento può essere previsto in una certa misura osservando il percorso dell'occhio di un tifone. Nei materiali in cui si verifica tipicamente SSB, come superconduttori e superfluidi, questo "vento" corrisponde a corrente senza resistenza e flusso senza attrito, rispettivamente. Poiché la struttura del campo attorno al nucleo può essere prevista in base alla rottura della simmetria, si è pensato che il comportamento dei difetti topologici, e quindi il comportamento del campo, può essere compreso se la rottura della simmetria è compresa su scala globale.

Un fenomeno che confuta questa idea è stato recentemente osservato dal gruppo sperimentale del professor Shin alla Seoul National University [Phys. Rev. Lett. 122, 095301 (2019)]. Poiché la rottura della simmetria in questo sistema sperimentale è simile a quella dei noti superconduttori e superfluidi ordinari, la forma del nucleo del difetto topologico, chiamato vortice quantico, dovrebbe essere rotondo come l'occhio di un tifone in una sezione trasversale bidimensionale.

Però, l'effettiva struttura della sezione trasversale del difetto di fase osservato era completamente diversa. La Figura 1 mostra una fotografia sperimentale della struttura corrispondente alla sezione d'urto di un difetto topologico causato da un'improvvisa transizione di fase. Al tempo, questo difetto topologico è stato considerato un composto di due difetti topologici noti (difetto composito) ed è stato interpretato come uno stato transitorio che si verifica temporaneamente durante il processo di transizione di fase vicino al punto critico.

In questo studio, chiarire le proprietà fisiche del difetto composito osservato nell'esperimento, Hiromitsu Takeuchi ha introdotto l'idea di applicare la trasformata di Joukowski, che viene utilizzato per calcolare la portanza di un'ala di aeroplano, al vortice quantico. Sulla base di questa idea, il difetto topologico osservato nell'esperimento viene infine stabilizzato come un nuovo difetto topologico chiamato vortice ellittico quantistico. I vortici quantistici ordinari hanno un flusso rotazionalmente simmetrico nella loro sezione trasversale, come l'occhio di un tifone (Fig. 2, sinistra). Però, la sezione d'urto del vortice ellittico quantistico appena proposto rompe spontaneamente la simmetria rotazionale e forma un flusso lungo l'ellisse. In precedenza si pensava che la forma esterna di un difetto topologico fosse determinata in base al modo in cui si verifica l'SSB globale del sistema fisico, ma questo risultato ribalta nettamente quella percezione.

È teoricamente noto che una struttura così strana si verifica vicino al punto critico della transizione di fase, e che l'SSB locale all'interno del nucleo del difetto topologico è profondamente coinvolto nella sua stabilità.

Sebbene SSB sia stato studiato a lungo, non esiste una comprensione generale di come si verifica l'SSB locale all'interno del nucleo e di come influisce sulle proprietà fisiche dei difetti topologici. I difetti topologici compaiono non solo in materiali speciali come i superconduttori, ma anche in una varietà di sistemi fisici che vanno da materiali relativamente familiari come cristalli e cristalli liquidi a scienza e tecnologia all'avanguardia come la spintronica, e si ritiene che svolgano ruoli importanti in una stella di neutroni rotante e nelle dinamiche di transizione di fase nell'universo primordiale. C'è speranza che nuovi sviluppi in SSB, come la scoperta di Takeuchi, sarà determinato da miglioramenti nelle tecniche sperimentali e corrispondenti progressi nella teoria, e che avranno un effetto a catena sull'intero campo della fisica.