Une avancée majeure en physique quantique a été réalisée par des chercheurs de l'Université métropolitaine d'Osaka et de l'Institut coréen des sciences et technologies avancées (KAIST). Pour la première fois, ils ont observé l'instabilité quantique de Kelvin-Helmholtz (KHI), un phénomène prédit il y a des décennies et jamais détecté auparavant dans les fluides quantiques. Cette observation a permis de révéler des structures vortex inédites, appelées skyrmions fractionnaires excentriques (EFS), dont les formes en croissant rappellent la lune dans "La Nuit étoilée" de Vincent van Gogh.
L'instabilité de Kelvin-Helmholtz, bien établie en dynamique des fluides classique, se manifeste à l'interface entre deux fluides en mouvement à des vitesses différentes, créant des ondulations visibles dans les vagues océaniques ou les formations nuageuses. Cependant, son comportement dans le domaine quantique restait largement théorique. Pour cette observation, les scientifiques ont refroidi des gaz de lithium à des températures proches du zéro absolu, formant un condensat de Bose-Einstein multicomposant. En faisant circuler deux flux de ce superfluide à des vitesses distinctes, une interface ondulée a donné naissance à des vortex quantiques et topologiques, les EFS. Contrairement aux skyrmions classiques, les EFS présentent une forme de croissant distincte et renferment des singularités internes, des points où la structure de spin se décompose. La ressemblance visuelle avec la lune en croissant du tableau de Van Gogh a été soulignée par Hiromitsu Takeuchi, professeur associé à l'Université métropolitaine d'Osaka.
Les skyrmions, initialement découverts dans les matériaux magnétiques, suscitent un intérêt croissant pour leurs applications potentielles en spintronique et dans les dispositifs de mémoire en raison de leur stabilité, leur petite taille et leur dynamique inhabituelle. La découverte de ce nouveau type de skyrmion dans un superfluide ouvre des perspectives considérables pour les avancées technologiques et la compréhension fondamentale des systèmes quantiques. Les chercheurs prévoient des expériences plus précises pour affiner leurs mesures et tester des prédictions théoriques datant du XIXe siècle concernant les ondes d'interface induites par la KHI. Les implications théoriques sont également vastes, les EFS remettant en question les classifications topologiques existantes et soulevant de nouvelles interrogations sur la nature des vortex quantiques. L'équipe espère explorer si des structures similaires peuvent exister dans d'autres systèmes multicomposants ou de dimensions supérieures.
Cette avancée, publiée dans la revue Nature Physics le 8 août 2025, valide une prédiction ancienne et ouvre de nouvelles voies de recherche sur les vortex quantiques, les fluides multicomposants et les limites de la classification topologique. Les skyrmions en général sont étudiés pour leur potentiel dans les dispositifs spintroniques, offrant une alternative plus économe en énergie aux systèmes basés sur la charge électrique, comme l'indique une recherche du Brazilian Center for Research in Physics sur leur stabilité dans les nanodisques magnétiques.