Простой эксперимент с водой раскрыл неизвестные ранее топологические эффекты
В причудливом квантовом мире частицы могут испытывать воздействие сил, с которыми никогда не сталкиваются напрямую. Классическим примером является эффект Ааронова–Бома, при котором на электроны влияет магнитное поле, даже если они не проходят сквозь него. Хотя этот эффект был предсказан еще в 1959 году, для его экспериментального подтверждения потребовалось более двух десятилетий, поскольку специфические изменения волновых свойств электронов можно было вывести только косвенно и с большими трудностями. Теперь физики из Окинавского института науки и технологий совместно с Университетом Осло и Университетом Адольфо Ибаньеса использовали классическую жидкостную аналогию, которая имитирует и расширяет эффект Ааронова–Бома с помощью простой платформы: резервуара с водой.
В работе, опубликованной в журнале Communications Physics, исследователи обнаружили, что когда водяные волны направляются к вращающемуся вихрю с противоположных сторон, возникает поразительный узор: одна или несколько линий моментально неподвижной воды расходятся наружу и вращаются почти гипнотическим образом. «Это было нечто новое и неожиданное», — говорит Адитья Сингх, аспирант отдела нелинейной и неравновесной физики и один из первых соавторов исследования. «Именно это делает систему с жидкостным аналогом такой ценной. Она выявляет топологические эффекты — волновые поведения, проявляющиеся во всей системе, — которые невозможно увидеть в квантовых экспериментах».
Вдохновение для этого исследования восходит к работе 1980 года, выполненной физиком-теоретиком Майклом Берри, который первым показал, что эффект Ааронова–Бома может быть смоделирован в классической жидкостной системе. В квантовой версии электроны проходят вокруг плотно намотанной проволоки, называемой соленоидом. Когда электрический ток течет через соленоид, он генерирует магнитное поле, ограниченное внутри катушки. Однако на электроны, проходящие снаружи соленоида (где магнитное поле равно нулю), это поле все равно влияет, изменяя фазу их волны. В эксперименте Берри вихрь, образующийся в сливном отверстии резервуара, выступал в роли соленоида. Вместо электронов Берри заставлял водяные волны двигаться по резервуару, огибая вихрь, а не проходя сквозь него. Распространяющиеся волны приобретали характерное искажение — узор в виде трезубца с центром на вихре, — что означало сдвиг их фазы.
«При распространении волн в противоположном направлении наблюдается зеркальное отображение узора», — добавляет Йонас Рённинг, соавтор и бывший постдок лаборатории OIST. «Вопрос для нас заключался в следующем: что произойдет, если посылать волны с обоих направлений одновременно? Мы думали, что узоры могут взаимно уничтожиться, либо оба узора в виде трезубца будут видны, но наша интуиция нас полностью подвела».
В своем эксперименте исследователи создали вихрь в центре большого специально сконструированного резервуара с водой и генерировали волны с противоположных сторон так, чтобы они встречались и интерферировали. Освещая поверхность воды снизу и записывая происходящее высокоскоростной камерой, команда могла отслеживать, как волновая картина во всем резервуаре менялась с течением времени. В отсутствие вихря, когда встречные волны сталкиваются и интерферируют, возникает предсказуемая картина стоячих волн, которые кажутся зафиксированными на месте. Эти узоры содержат стационарные линии, известные как волновые фронты, где волны имеют одинаковую фазу.
Однако добавление вихря вносит неожиданный поворот. Поскольку вихрь вызывает сдвиги в фазе волны, это изменяет характер интерференции стоячих волн друг с другом, что приводит к появлению вращающихся линий с нулевой высотой волны, называемых узловыми линиями. «Когда мы впервые увидели эти линии, мы подумали, что это артефакт эксперимента», — говорит Сингх. «Но когда мы увидели их же в наших симуляциях, мы бросили все и быстро вывели математику, лежащую в основе их возникновения». Эти узловые линии демонстрируют интересное поведение: они всегда вращаются в направлении, противоположном вращению вихря, а их количество возрастает по мере того, как исследователи увеличивали поток вихря.
На столь ранней стадии открытия неясно, могут ли эти узловые линии найти полезное применение. Но для руководителя отдела и старшего автора, профессора Махеша Банди, настоящая привлекательность заключается в безграничных возможностях для будущих исследований с использованием их классической аналоговой системы. «Одно из направлений — сделать систему более сложной, добавив несколько вихрей и расположив их в решетку», — говорит Банди. «Такая установка отражала бы условия в некоторых сверхпроводящих материалах, где водяные волны вели бы себя как сверхток. Мы пока не знаем, что увидим, и именно это делает эксперимент стоящим». В более широком смысле, выводы команды подчеркивают силу простых классических аналогов для нового понимания квантового мира. «Теоретики могут предсказывать эти эффекты, но квантовые эксперименты не смогли бы их увидеть, — говорит он. — С такими аналогами, как этот, мы можем это сделать».
Исследование в журнале Communications Physics.