Naukowcy pokazali, jak można połączyć trzy wiry w sposób uniemożliwiający ich rozłożenie. Struktura połączeń przypomina wzór używany przez Wikingów i inne starożytne kultury, chociaż w tym badaniu skupiono się na wirach w specjalnej formie materii znanej jako kondensat Bosego-Einsteina. Odkrycia mają implikacje dla obliczeń kwantowych, fizyki cząstek elementarnych i innych dziedzin.
Badacz ze stopniem doktora, Toni Annala, wykorzystuje struny i wiry wodne, aby wyjaśnić to zjawisko: „Jeśli utworzysz strukturę ogniw z, powiedzmy, trzech nieprzerwanych strun w kole, nie możesz jej rozwikłać, ponieważ struna nie może przejść przez inną strunę. Z drugiej strony, jeśli ta sama okrągła struktura jest wykonana w wodzie, wiry wodne mogą zderzać się i łączyć, jeśli nie są chronione”.
“W kondensacie Bosego-Einsteina struktura powiązań jest gdzieś pomiędzy tymi dwoma” – mówi Annala, która rozpoczęła pracę nad tym w grupie badawczej profesora Mikko Möttönena na Uniwersytecie Aalto, po czym wróciła na Uniwersytet Kolumbii Brytyjskiej, a następnie do Instytutu ds. Zaawansowane studia w Princeton. W badaniu uczestniczył również Roberto Zamora-Zamora, badacz ze stopniem doktora w grupie Möttönena.
Naukowcy matematycznie wykazali istnienie struktury połączonych wirów, które nie mogą się rozdzielić ze względu na swoje podstawowe właściwości. „Nowym elementem jest to, że byliśmy w stanie matematycznie skonstruować trzy różne wiry przepływu, które były połączone, ale nie mogły przechodzić przez siebie bez konsekwencji topologicznych. Jeśli wiry przenikają się nawzajem, na skrzyżowaniu utworzyłby się sznur, który wiąże wiry razem i zużywa energię. Oznacza to, że konstrukcja nie może się tak łatwo rozpaść” – mówi Möttönen.
Od starożytności po wątki kosmiczne
Struktura jest koncepcyjnie podobna do pierścieni boromejskich, wzoru trzech połączonych ze sobą kół, który był szeroko stosowany w symbolice i jako herb. Symbol Wikingów związany z Odynem ma trzy trójkąty połączone w podobny sposób. Jeśli jedno z kół lub trójkątów zostanie usunięte, cały wzór się rozpuści, ponieważ pozostałe dwa nie są bezpośrednio połączone. Każdy element łączy w ten sposób dwóch partnerów, stabilizując konstrukcję jako całość.
Analiza matematyczna w tych badaniach pokazuje, jak podobnie solidne struktury mogą istnieć między zawiązanymi lub połączonymi wirami. Takie struktury można zaobserwować w niektórych typach ciekłych kryształów lub układów materii skondensowanej i mogą one wpływać na zachowanie i rozwój tych układów.
„Ku naszemu zdziwieniu te chronione topologicznie połączenia i węzły nie zostały wynalezione wcześniej. Dzieje się tak prawdopodobnie dlatego, że struktura połączeń wymaga wirów z trzema różnymi rodzajami przepływu, co jest znacznie bardziej złożone niż rozważane wcześniej systemy dwuwirowe” – mówi Möttönen.
Odkrycia te mogą pewnego dnia pomóc w zwiększeniu dokładności obliczeń kwantowych. W topologicznych obliczeniach kwantowych operacje logiczne byłyby przeprowadzane poprzez splatanie różnych typów wirów wokół siebie na różne sposoby. „W normalnych cieczach węzły się rozplatają, ale w polach kwantowych mogą istnieć węzły z ochroną topologiczną, co teraz odkrywamy” – mówi Möttönen.
Annala dodaje, że “ten sam model teoretyczny można wykorzystać do opisu struktur w wielu różnych systemach, takich jak struny kosmiczne w kosmologii”. Struktury topologiczne użyte w badaniu odpowiadają również strukturom próżni w kwantowej teorii pola. Wyniki mogą zatem mieć również implikacje dla fizyki cząstek elementarnych.
Następnie naukowcy planują teoretycznie wykazać istnienie węzła w kondensacie Bosego-Einsteina, który byłby topologicznie chroniony przed rozpuszczeniem w eksperymentalnie wykonalnym scenariuszu. „Istnienie topologicznie chronionych węzłów jest jednym z podstawowych pytań natury. Po matematycznym dowodzie możemy przejść do symulacji i badań eksperymentalnych” – mówi Möttönen.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet Aalto. Uwaga: treść może być edytowana pod kątem stylu i długości.