반 고흐의 유명한 그림 "별이 빛나는 밤"은 100년이 넘는 세월 동안 수많은 예술 애호가들의 가슴을 감동시켰습니다. 소용돌이치고 요동치는 밤하늘은 물리학의 양자 난류의 질감과 흥미로운 공명을 갖고 있는 것 같습니다. 일본 오사카공립대 연구팀과 한국과학기술연구원(KIST)이 양자유체에서 '양자 켈빈-헬름홀츠 불안정성(KHI)'을 최초로 관찰하고, '별이 빛나는 하늘'에서 초승달을 닮은 새로운 소용돌이 구조, 즉 이심분수 천공(EFS)을 발견했다.
이러한 현상은 수십 년 전에 이론적으로 예측되었으나 실험적으로 직접 관찰된 적은 없습니다. 관련 논문은 'Nature Physics' 최신호에 게재됐다.
KHI는 고전유체역학에서 중요한 현상이다. 속도가 다른 두 유체가 경계에서 만나면 파동과 소용돌이가 형성됩니다. 이 현상은 바람에 날리는 파도, 구르는 구름, 별이 빛나는 밤의 소용돌이치는 하늘에서도 발견할 수 있습니다. 연구팀은 이렇게 질문했습니다. 양자 유체에서도 유사한 불안정성이 발생할 수 있습니까?
이 아이디어를 테스트하기 위해 팀은 리튬 원자 가스를 절대 영도에 가깝게 냉각하고 다성분 보스-아인슈타인 응축물(양자 초유체)을 준비한 다음 그 안에 속도가 다른 두 개의 유체를 형성했습니다. 인터페이스에는 고전적인 난류와 유사한 물결 모양의 손가락 모양 구조가 처음 나타났습니다. 그런 다음 양자 역학 및 위상 규칙의 작용에 따라 특수 소용돌이가 생성되었습니다.
연구팀은 이러한 소용돌이가 편심 분수 천공(eccentric Fractional skyrmions)으로 알려진 이전에 알려지지 않은 위상학적 결함임을 발견했습니다. 일반적인 대칭형 중심 천공과 달리 EFS는 메니스커스 모양이며 내장된 특이점을 포함합니다. 이러한 점은 원래의 스핀 구조를 파괴하여 날카로운 왜곡을 유발합니다. 그들은 "Starry Sky" 그림의 오른쪽 상단에 있는 초승달이 EFS처럼 보인다고 말했습니다.
스커미온은 자성 물질에서 처음 발견되었습니다. 높은 안정성, 작은 크기 및 고유한 동적 특성으로 인해 스핀트로닉스 및 메모리 분야에서 많은 주목을 받았습니다. 초유체에서 새로운 유형의 스커미온 발견은 관련 기술에 대한 새로운 아이디어를 제공할 뿐만 아니라 양자 시스템에 대한 이해를 넓히는 데에도 도움이 됩니다.
연구팀은 앞으로 KHI가 주도하는 경계파의 파장과 주파수에 대한 19세기 이론적 예측을 검증하기 위해 더 높은 정밀도의 측정을 수행할 계획이다.