Майорановские и сферические гармонические представления спиноров-прототипов для магнитных фаз со спином 1 и 2. a, b Ферромагнитная (FM) и полярная (P) магнитные фазы со спином 1 с двумя майорановскими точками (зеленые точки с соседним числом, обозначающим кратность > 1). c – g Ферромагнитная фаза-2 (FM2) и -1 (FM1), одноосная нематическая (UN), двухосная нематическая (BN) и циклическая (C) магнитные фазы со спином 2 с четырьмя точками Майорана. Дискретные многогранные майорановские симметрии квадрата и тетраэдра легко распознаются для BN и C. Полное поведение симметрии параметра порядка визуализируется в представлении сферических гармоник, где Z(θ, ϕ) для сферических координат (θ, ϕ ), разлагает каждый спинор по сферическим гармоникам. Форма ∣Z(θ, ϕ)∣2 и Arg(Z)Arg(Z) (цветовая карта) вместе выявляют симметрию. FM, Параметры порядка FM1 и FM2 соответствуют пространственным вращениям в трех измерениях. Симметрии параметра порядка остальных магнитных фаз получаются путем соответствующего комбинирования глобальной конденсатной фазы с неориентированной осью (P и UN), квадратом (BN) и тетраэдром (C). Кредит:Связь с природой (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32362-5

Вихри — знакомые объекты в природе, от водоворотов воды в сливе ванны до воздушного потока вокруг урагана.

В квантово-механических системах, таких как атомный конденсат Бозе-Эйнштейна, вихри, как правило, крошечные, и их циркуляция осуществляется дискретными, квантованными единицами. Такие вихри долгое время были объектом восхищения физиков и помогли пролить свет на необычные свойства сверхтекучести и сверхпроводимости.

Однако необычная природа наблюдаемых здесь водоворотов обусловлена ​​симметрией квантового газа. Одним особенно захватывающим свойством физических теорий, от космологии до элементарных частиц, является появление асимметричных миров, несмотря на совершенные лежащие в их основе симметрии. Например, когда вода превращается в лед, неупорядоченные молекулы жидкости выстраиваются в периодический ряд.

Пространственная симметрия системы часто легко определяется — например, соты имеют периодический массив ячеек с гексагональной симметрией. Хотя вихревая среда, используемая в этой новой работе, представляет собой жидкость, а не твердый массив, она также обладает внутренним набором скрытых дискретных симметрий. Например, один из ультрахолодных газов команды имел четырехгранную симметрию квадрата, а другой — тетраэдрическую симметрию четырехгранного игрального кубика, знакомую всем игрокам фэнтезийных игр повсюду.

«Массовый поток и лежащая в его основе симметрия жидкости интересным образом взаимодействуют друг с другом», — сказал доктор Магнус Борг, доцент кафедры физики UEA.

«Одним из следствий является то, что, если положения двух вихрей поменять местами, они могут оставить след процесса, затянувшегося в жидкости. Этот след навсегда связывает взаимодействующие вихри вместе, как ступенька на лестнице».

«Обычные жидкости не ведут себя подобным образом, и вполне возможно, что аналогичные объекты существуют только глубоко внутри нейтронных звезд », — добавил профессор Янне Руостекоски из Ланкастерского университета. Действительно, команда говорит, что эти созданные вихри выходят за рамки современного искусства.

«Отчасти именно эти связи с незнакомыми областями физики делают нашу работу привлекательной», — сказал профессор Дэвид Холл из Амхерстского колледжа. «И отчасти это наше человеческое понимание симметрии».

Непосредственное наблюдение за этим поведением стало целью исследования группы, экспериментальная часть которого базируется в Амхерстском колледже.

«Нам повезло, что у нас есть чрезвычайно талантливые и целеустремленные студенты, которые могут проводить такие сложные эксперименты», — сказал профессор Холл, отдавая должное, в частности, Артуру Сяо, ведущему автору исследования.