研究：巨大的“量子漩涡”或能在液态光中形成

日期： 2021-10-25

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来源：cnBeta.com

任何在浴缸里放过水或在咖啡里搅拌过奶油的人都见过旋涡，这是流体循环时出现的一种无处不在的形成。但跟水不同的是，受量子力学奇怪规则支配的流体有一个特殊的限制：正如诺贝尔奖得主Lars Onsager在1945年首次预测的那样，量子流体中的旋涡只能以整数单位扭曲。

这些旋转结构被预测为对研究从量子系统到黑洞的一切都有广泛的用途。但虽然在许多系统中已经看到了最小的可能的量子漩涡即一个单位的旋转，但更大的漩涡并不稳定。虽然科学家们曾试图强迫更大的旋涡将自己固定在一起，但结果却喜忧参半：当旋涡形成后所使用的方法的严重性通常会破坏其效用。

现在，来自剑桥大学的Samuel Alperin和Natalia Berloff教授发现了一种理论机制，通过这种机制，巨大的量子涡旋不仅稳定并且在其他接近均匀的流体中自行形成。这些发现发表在《Optica》上，它可能为实验铺平道路，这些实验可能为了解跟巨型量子漩涡有相似之处的旋转黑洞的性质提供了线索。

为了做到这一点，研究人员使用了一种光和物质的量子混合体，称为偏振子。这些粒子通过将激光照射到特殊的分层材料上形成。剑桥大学应用数学和理论物理系的博士生Alperin说道：“当光被困于层中时，光和物质变得不可分割，并且把所产生的物质看成是与光或物质不同的东西，与此同时继承了两者的特性，这就变得更加实际了。”

偏振子最重要的特性之一来自于一个简单的事实，即光不可能永远被困住。一个需要高密度的奇异粒子的偏振子流体会不断地驱逐光线，并需要从激光器中获得新鲜的光线来生存。“其结果是一种永远不允许沉淀的流体，它不需要遵守通常是物理学中的基本限制如能量守恒。在这里，能量可以作为流体动力学的一部分而改变，”Alperin说道。

研究人员正是利用了这些不断流动的液态光使难以捉摸的巨大漩涡得以形成。新建议不是将激光照射在极化子流体本身，而是将光塑造成一个环状进而形成一个持续的向内流动，这类似于水流向浴缸排水口的方式。根据该理论，这种流动足以将任何旋转集中到一个巨大的漩涡中。

Alperin说道：“巨大的旋涡真的可以在适合其研究和技术使用的条件下存在，这相当令人惊讶，但实际上它只是表明极子的流体动力学跟研究得更充分的量子流体有多么彻底的不同。这是一个令人兴奋的领域。”

研究人员表示，他们对巨型量子漩涡的研究才刚刚开始。他们能模拟几个量子漩涡的碰撞，因为它们以越来越快的速度围绕着对方跳舞，直到它们碰撞形成一个类似于黑洞碰撞的巨大漩涡。另外，他们还解释了限制最大旋涡尺寸的不稳定性，并与此同时探索了旋涡行为的复杂物理学。

“这些结构有一些有趣的声学特性：它们有取决于其旋转的声学共振，所以它们有点像在唱关于自己的信息，”Alperin说道，“在数学上，这跟旋转的黑洞辐射有关其自身属性的信息的方式相当类似。”

研究人员希望这种相似性能够带来对量子流体动力学理论的新认识，但他们也表示，极子可能是研究黑洞行为的一个有用工具。

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