在光量子流体产生的巨大涡旋中发现新机制

通过方程的数值积分，在环形泵浦极化子冷凝物中自发形成多电荷量子涡。 

在凝结水形成的各个阶段显示了密度（顶行）和相（底行）快照。为了清楚起见，将每个密度分布图重新缩放为单位最大值。泵送轮廓以黑色（以P为单位）叠加，显示了泵和冷凝液之间的空间间隔。

 （a）在凝结物形成的开始，由于泵的几何形状，物质波干扰导致波函数中的环形零点。 

（b）这些环的奇异点对于动力学的不稳定是不稳定的，变得不对称，并且随着冷凝物的不断发展，可以观察到它们分裂成更稳定的单位涡旋。

 （c）凝结水在环形泵内充满几乎均匀的圆盘状区域，但剩余的涡流混乱地相互作用。涡旋湍流最终衰减，留下净拓扑电荷[48,49]。在不同的随机初始条件下重复这些模拟，最终涡度的大小和符号会有所不同。

任何将浴缸中的水或搅拌好的奶油倒入咖啡中的人都看到了涡旋，涡旋是无处不在的，当流体循环时就会出现。 但是与水不同，受量子力学奇怪规则支配的流体有一个特殊的限制：正如1945年诺贝尔奖获得者拉尔斯·昂萨格（Lars Onsager）首次预测的那样，量子流体中的涡旋只能以整数为单位进行扭曲。

预计这些旋转结构对于研究从量子系统到黑洞的一切事物都将广泛有用。 但是，尽管在许多系统中已经看到了具有单个旋转单位的最小可能的量子涡旋，但较大的涡旋并不稳定。 尽管科学家们试图迫使更大的涡旋束缚在一起，但结果却好坏参半：形成涡旋时，所用方法的严重程度通常破坏了它们的实用性。

现在，来自剑桥大学的塞缪尔·阿尔珀林（Samuel Alperin）和纳塔利娅·贝洛夫（Natalia Berloff）教授发现了一种理论机制，通过该机制，巨量子涡旋不仅稳定，还可以在几乎均匀的流体中自行形成。 这项发现发表在《 Optica》杂志上，可能为进行实验铺平道路，这些实验可能有助于洞察与巨大的量子涡旋相似的旋转黑洞的性质。

为此，研究人员使用了光与物质的量子混合体，称为极化子。这些粒子是通过将激光照射到特殊分层的材料上而形成的。 Alperin说：“当光被夹在层中时，光和物质变得不可分离，将所得物质视为不同于光或物质的东西变得更实际，同时又继承了两者的特性。”博士学位剑桥大学应用数学和理论物理系的学生。 极化子最重要的特性之一来自简单的事实，即光不会永远被捕获。需要高密度的奇异粒子的极化子流体不断地驱散光，并且需要馈入激光的新鲜光才能生存。阿尔佩林说：“结果是一种流体，它永远不会沉降，也不需要遵守物理学中通常存在的基本限​​制，例如能量守恒。在这里，能量可以作为能量的一部分而改变。流体的动力学。” 研究人员利用正是这些恒定的液体光流来形成难以捉摸的巨大涡旋。新提案没有将激光照在极化子流体本身上，而是将光塑造成环形，从而像水流到浴缸排水口一样，引起恒定的向内流动。根据理论，这种流动足以将任何旋转集中到一个巨大的涡旋中。 

  Alperin说：“巨大的涡旋确实可以在适合他们的研究和技术应用的条件下存在，这真是令人惊讶，”但实际上，这只是证明了极化子的流体动力学与完全研究透彻的量子流体之间是多么的截然不同。这是令人兴奋的领域。” 研究人员说，他们才刚刚开始研究巨型量子涡旋。他们能够模拟几个量子涡旋的碰撞，因为它们以不断增加的速度相互舞动，直到它们碰撞形成一个类似于黑洞碰撞的巨型涡旋。他们还解释了探索最大漩涡尺寸的不稳定性，同时探索了复杂的漩涡行为物理学。 Alperin说：“这些结构具有一些有趣的声学特性：它们的声共振取决于它们的旋转，因此它们会唱歌有关自身的信息。” “从数学上讲，这非常类似于旋转黑洞辐射有关其自身特性的信息的方式。” 研究人员希望相似性可以为量子流体动力学理论带来新的见解，但他们也表示，极化子可能是研究黑洞行为的有用工具。