維京結的保護結構可以穩定量子渦旋

東西亂跑就要綁起來,但沒想到傳統的維京結(被認為有神的力量)還真的很適合拿來綁住東西。

 

  科學家在研究中展示了三個渦旋如何連結以防止被拆散,其保護結構近似於維京人傳統的維京結(被認為具有神的力量)與其他文化的符號。儘管研究聚焦在玻色—愛因斯坦凝態(Bose-Einstein condensate)這種特殊物質形式的渦旋,但這項發現對於量子計算、粒子物理學和其他領域都有影響。

 

  博士後研究員托尼‧安納拉(Toni Annala)使用弦和水渦旋來解釋這種現象:「如果你用一個圓圈中三根不間斷的弦組成一個結構,你就無法解開它,因為這根弦無法穿過另一根弦。另一方面,如果在水中製造相同的圓形結構,如果不加以保護,水渦旋會發生碰撞並合併。在玻色—愛因斯坦凝態中,連結的結構介於兩者之間。」他在阿爾托大學米科‧莫托寧(Mikko Möttönen)教授領導的團隊開始了這項研究。

 

  科學家從數學上證明了存在一種其基本性質而無法被拆解的相連渦旋結構,莫托寧說:「這裡的新要素是,我們能以數學方式構建三種不同的流動渦旋,它們相互連結,但不能在沒有拓樸結果的情況下穿越彼此。如果渦旋相互貫穿,在相交處就會形成一條繩索,將渦旋綁住並消耗能量。也就意味著其結構不容易被破壞。」

 

  這種結構在概念上類似於三不互扣環(Borromean rings,又稱波羅米安之環),這是一種由三個相互連結的圓環所組成的圖案,廣泛用於象徵主義和紋章之中。與奧丁相關的維京符號具有三個以類似方式相連的三角形,如果其中一個圓圈或三角形被移除,整個圖案就會瓦解,因為剩下的兩個沒有直接相連。因此,每個元素都連結了另外兩個夥伴,從而穩定了整個結構。

 

  這項研究的數學分析表明,在打結或相連的渦旋之間可能存在類似的穩定結構。這種結構能從某些類型的液晶或凝態物質系統中觀察到,並可能影響這些系統的行為和發展,莫托寧說:「令我們驚訝的是,這些受拓撲保護的連結和結以前沒有被發明過。這可能是因為連結的結構需要具有三種不同類型流動的渦旋,這比先前研究的雙渦旋系統還要複雜得多。」

 

  這些發現也許有天能幫助量子計算變得更精確。在拓撲量子計算中,邏輯運算將藉由各種方式編織不同類型的渦旋來實現,莫托寧說:「在普通液體中,結會散開,但在量子場中,就像我們現在所發現的那樣,會有拓撲保護的結。」

 

  安納拉補充說:「同樣的理論模型可以用來描述許多不同系統的結構,比如宇宙學中的宇宙弦。」研究使用的拓撲結構也對應於量子場論中的真空結構。因此,該結果也可能對粒子物理學產生影響。

 

  接下來,科學家計畫從理論上證明玻色—愛因斯坦凝態中存在一個結,這個結將會受到拓撲保護,並且不會在實驗時瓦解,莫托寧說:「受拓撲保護的結的存在是自然界的基本問題之一。在數學證明之後,我們得以繼續進行模擬和實驗。」

 

 

原文出處:Phys.org

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