В рамках исследования квантовых систем физики из Университета Аальто и Колледжа имени Аш-Сурасая весьма успешно создали «сквирмионы» — квантовые квазичастицы, существование которых было теоретически предсказано около 40 лет назад. Данный эксперимент позвонил первой в истории реализации создания сквирмионов в среде квантового газа. Сквирмион представляет собой структуру из магнитных моментов вращения атомов внутри крайне разреженного и холодного газового состояния. Ученые зафиксировали, что свойства этих «узлов» во многонич совпадают со свойствами шаровой молнии — явления, которое по теории обусловлено запутанными потоками электрических токов. Стабильность подобных узлов может быть ключевым фактором, объясняющим длительное существование сквирмионов в сравнении с обычными разрядами молний.
Полученные учеными результаты могут стать основой новых технологий сохранения стабильности плазмы в реакторах термоядерного синтеза следующих поколений. “Нам удалось создать “синтетический магнитный узел”, то есть, квантовый аналог шаровой молнии. При этом, мы использовали только два противонаправленных потока” – рассказывает Микко Меттенен (Mikko Mottone), ведущий исследователь, – “Мы допускаем, что подобный процесс может возникать и естественным путем в момент разряда обычной молнии”.
Исследователи создали скирмионы в среде конденсата Бозе-Эйнштейна, поляризуя вращение каждого атома относительно направления естественного магнитного поля. Затем, за счет использования внешнего магнитного поля весьма хитрой конфигурации, внутри облака конденсата была создана точечная область с нулевой напряженностью магнитного поля. Атомы, находящиеся в этой области изменили направление своего вращения, выровнявшись в сторону ближайшей к ним области с ненулевым значением магнитного поля и образовали узел сложной конфигурации.
Структура полученных скирмионов состоит из запутанных петель, вращение каждой из которых имеет фиксированное значение. Из-за этого, такой квантовый узел может быть “ослаблен” или перемещен в пространстве, но “развязать”, не нарушая его целостности, практически невозможно. В дальнейшем такое образование ведет себя в среде конденсата, подобно заряженной частице в среде магнитного поля. А сама квазичастица получает свое собственное магнитное поле, конфигурация которого полностью соответствует конфигурации магнитного поля шаровой молнии.
“Требуется проведение дополнительных исследований для выяснения того, можно ли создать реальную шаровую молнию при помощи подобного метода” – объясняет Микко Меттенен, – “И все это может привести к появлению нового способа удержания плазмы в стабильном состоянии, который ляжет в основу принципа работы реактора термоядерного синтеза следующего поколения”.
Для любознательных
Скирмионы — это экзотические квантовые квазичастицы, которые представляют собой топологические объекты, образованные из связанных спинов атомов или других частиц в определённых квантовых системах. Они имеют необычную вихревую структуру, напоминающую узел или воронку, и отличаются высокой топологической устойчивостью.
Для чего создают скирмионы в квантовых газах?
Исследования скирмионов и их создание в квантовых системах имеют несколько направлений:
-
Понимание квантовых явлений и топологических объектов. Эксперименты с квантовыми газами (например, с конденсатом Бозе-Эйнштейна) позволяют изучать новые типы квантовых структур и их динамику. Например, в исследованиях японских и корейских учёных были обнаружены эксцентричные дробные скирмионы (ЭДС) — несимметричные вихревые структуры с дробным топологическим зарядом и встроенными сингулярностями.
-
Развитие технологий хранения и обработки информации. Скирмионы рассматриваются как перспективные носители информации в спинтронике и квантовых технологиях. Их стабильность, небольшой размер и необычная динамика делают их потенциально полезными для создания более эффективных чипов памяти, кубитов для квантовых компьютеров и других устройств. Например, показано, что скирмионы можно ускорять с помощью электрических токов, достигая скоростей до 900 м/с.
-
Защита квантовой информации. Топологические свойства скирмионов могут обеспечивать сохранность закодированных данных даже при внешних помехах, что важно для защиты квантовой запутанности.
-
Исследование природных явлений. Создание синтетического аналога скирмиона, напоминающего шаровую молнию, позволяет глубже понять механизмы этого природного явления и, возможно, использовать полученные знания для создания искусственных аналогов.
-
Развитие термоядерной энергетики. Есть предположения, что скирмионы и другие топологические объекты могут помочь в создании более стабильной плазмы для термоядерных реакторов. dzen.ru
Кто создаёт скирмионы в квантовых газах?
Исследования в этой области проводят учёные из разных стран и научных центров. Например:
- Финские и американские физики. В 2018 году они создали трёхмерный скирмион в охлаждённом квантовом газе (конденсате Бозе-Эйнштейна).
- Исследователи из Университета Осаки (Япония) и Корейского передового института науки и технологий. В 2025 году они наблюдали ЭДС в многокомпонентном конденсате Бозе — Эйнштейна с двумя потоками, движущимися с разной скоростью.
- Учёные Университета ИТМО. Они теоретически продемонстрировали, что свойствами скирмионов можно управлять с помощью внешнего лазерного излучения.
- Исследователи в области квантовой электродинамики и фотоники. Например, группа из Университета Сунь Ятсена и Тяньцзиньского университета создала квантово-оптические скирмионы — одиночные фотоны с поляризационными текстурами, образующими скирмионные структуры. dzen.ru
Таким образом, создание скирмионов в квантовых газах — это междисциплинарное направление, которое объединяет усилия физиков, теоретиков и экспериментаторов для изучения фундаментальных свойств материи и разработки новых технологий.
