Wissenschaftler der Osaka Metropolitan University und des Korea Advanced Institute of Science and Technology haben erstmals die Quanten-Kelvin-Helmholtz-Instabilität (KHI) in Quantenflüssigkeiten beobachtet. Dieses Phänomen erzeugt einzigartige Wirbelmuster, bekannt als exzentrische fraktionale Skyrmionen (EFSs), deren sichelförmige Gestalt an den Mond in Vincent van Goghs „Sternennacht“ erinnert. Die Entdeckung wurde am 8. August 2025 in Nature Physics veröffentlicht und eröffnet neue Einblicke in die Quantenmechanik sowie potenzielle technologische Anwendungen.
Die KHI ist ein etabliertes Phänomen der Fluiddynamik, bei dem Wellen und Wirbel an der Grenzfläche zweier Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entstehen. Für dieses Experiment kühlten die Forscher Lithiumgas auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, um ein mehrkomponentiges Bose-Einstein-Kondensat, eine Quanten-Superfluid, zu erzeugen. Zwei Ströme dieser Superfluid bewegten sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, und an ihrer Grenzfläche bildete sich ein wellenartiges Muster, das zur Entstehung quantenmechanisch gesteuerter Wirbel führte. Diese Wirbel wurden als exzentrische fraktionale Skyrmionen (EFSs) identifiziert, eine neu entdeckte Art von topologischen Defekten. Im Gegensatz zu symmetrischen Skyrmionen weisen EFSs eine sichelartige Form auf und enthalten eingebettete Singularitäten, Punkte, an denen die Spin-Struktur zusammenbricht und scharfe Verzerrungen verursacht. Die visuelle Ähnlichkeit mit dem prominenten sichelförmigen Mond in Van Goghs berühmtem Gemälde ist bemerkenswert.
Skyrmionen, die ursprünglich in magnetischen Materialien entdeckt wurden, gewinnen aufgrund ihrer inhärenten Stabilität, geringen Größe und ungewöhnlichen Dynamik zunehmend an Bedeutung für potenzielle Anwendungen in der Spintronik und bei Speichergeräten. Die Entdeckung einer neuen Art von Skyrmionen in einer Superfluid könnte erhebliche Auswirkungen auf technologische Fortschritte und das grundlegende Verständnis von Quantensystemen haben. Das Forschungsteam plant weitere präzise Experimente zur Verfeinerung ihrer Messungen. Diese zukünftigen Studien zielen darauf ab, seit langem bestehende Vorhersagen aus dem 19. Jahrhundert bezüglich der Wellenlänge und Frequenz von KHI-getriebenen Grenzwellen zu überprüfen. EFSs stellen eine Herausforderung für bestehende topologische Klassifizierungen dar, und ihre eingebetteten Singularitäten werfen neue Fragen auf. Die Forscher hoffen zu untersuchen, ob ähnliche Strukturen auch in anderen mehrkomponentigen oder höherdimensionalen Systemen zu finden sind. Dieser bedeutende Fortschritt bestätigt nicht nur eine jahrzehntealte Vorhersage, sondern eröffnet auch neue Forschungsrichtungen hinsichtlich der Natur von Quantenwirbeln, der strukturellen Eigenschaften von mehrkomponentigen Flüssigkeiten und der Grenzen der topologischen Klassifizierung in der Physik.