Rappresentazioni di Majorana e armoniche sferiche dei prototipi di spinori per fasi magnetiche spin-1 e spin-2. a, b Le fasi magnetiche ferromagnetiche (FM) e polari (P) spin-1 con due punti Majorana (punti verdi, con numero adiacente che indica molteplicità > 1). c–g Le fasi magnetiche spin-2 ferromagnetiche-2 (FM2) e -1 (FM1), nematica uniassiale (UN), nematica biassiale (BN) e ciclica (C), con quattro punti di Majorana. Le simmetrie discrete di Majorana del politopo di un quadrato e di un tetraedro sono facilmente riconoscibili per BN e C. Il completo comportamento delle simmetrie ordine-parametro è visualizzato nella rappresentazione delle armoniche sferiche, dove Z(θ, ϕ), per coordinate sferiche (θ, ϕ ), espande ogni spinore in termini di armoniche sferiche. La forma ∣Z(θ, ϕ)∣2 e Arg(Z)Arg(Z) (mappa dei colori) insieme rivelano la simmetria. I parametri dell'ordine FM, FM1 e FM2 corrispondono a rotazioni spaziali in tre dimensioni. Le simmetrie dei parametri d'ordine delle restanti fasi magnetiche si ottengono combinando opportunamente la fase condensata globale con un asse non orientato (P e UN), quadrato (BN) e tetraedro (C). Credito:Comunicazioni sulla natura (2022). DOI:10.1038/s41467-022-32362-5
Una collaborazione internazionale di scienziati ha creato e osservato una classe completamente nuova di vortici:le masse vorticose di fluido o aria.
Guidato dai ricercatori dell'Amherst College negli Stati Uniti e dell'Università dell'East Anglia e della Lancaster University nel Regno Unito, il loro nuovo articolo descrive in dettaglio i primi studi di laboratorio su questi vortici "esotici" in un gas ultrafreddo di atomi a temperature fino a decine di miliardesimi di un grado sopra lo zero assoluto.
La scoperta, annunciata questa settimana sulla rivista Nature Communications , potrebbero avere interessanti implicazioni future per le implementazioni dell'informazione quantistica e dell'informatica.
I vortici sono oggetti familiari in natura, dai vortici d'acqua nello scarico di una vasca da bagno al flusso d'aria intorno a un uragano.
Nei sistemi quantomeccanici, come un condensato atomico di Bose-Einstein, i vortici tendono ad essere minuscoli e la loro circolazione avviene in unità discrete e quantizzate. Tali vortici sono stati a lungo oggetto di fascino per i fisici e hanno contribuito a illuminare le proprietà insolite della superfluidità e della superconduttività.
La natura insolita dei vortici qui osservati, tuttavia, è dovuta alle simmetrie nel gas quantistico. Una proprietà particolarmente affascinante delle teorie fisiche, dalla cosmologia alle particelle elementari, è l'apparizione di mondi asimmetrici nonostante le perfette simmetrie sottostanti. Ad esempio, quando l'acqua si congela in ghiaccio, le molecole disordinate in un liquido si dispongono in una matrice periodica.
La simmetria spaziale di un sistema è spesso facilmente identificabile, ad esempio un nido d'ape ha una serie periodica di celle con simmetria esagonale. Sebbene il mezzo vortice utilizzato in questo nuovo lavoro sia un insieme fluido piuttosto che solido, possiede anche un insieme interno di simmetrie discrete nascoste. Ad esempio, uno dei gas ultrafreddi della squadra aveva la simmetria quadrupla di un quadrato e un altro aveva la simmetria tetraedrica di un dado a quattro facce, familiare ai giocatori di giochi fantasy di tutto il mondo.
"Il flusso di massa e la simmetria sottostante del fluido interagiscono tra loro in modi interessanti", ha affermato il dott. Magnus Borgh, professore associato di fisica presso l'UEA.
"Una conseguenza è che se le posizioni di due vortici vengono scambiate, possono lasciare una traccia del processo che persiste nel fluido. Questa traccia collega permanentemente i vortici interagenti, come un piolo di una scala."
"Nessun fluido ordinario si comporta in questo modo, e potrebbe essere che oggetti analoghi esistano solo nelle profondità delle stelle di neutroni", ha aggiunto la prof.ssa Janne Ruostekoski, della Lancaster University. In effetti, il team afferma che questi vortici creati vanno oltre lo stato dell'arte.
"Sono in parte queste connessioni con i domini strani della fisica che rendono interessante il nostro lavoro", ha affermato il prof. David Hall dell'Amherst College. "E in parte è il nostro apprezzamento umano della simmetria."
L'osservazione diretta di questi comportamenti è diventata il fulcro della ricerca del team, la cui parte sperimentale ha sede presso l'Amherst College.
"Siamo fortunati ad avere studenti estremamente talentuosi e dedicati che possono fare questo tipo di esperimenti impegnativi", ha affermato il Prof. Hall, accreditando in particolare Arthur Xiao, l'autore principale dello studio. + Esplora ulteriormente
