任何在浴缸裡放過水或在咖啡裡攪拌過奶油的人都見過旋渦，這是流體循環時出現的一種無處不在的形成。但跟水不同的是，受量子力學奇怪規則支配的流體有一個特殊的限制：正如諾貝爾獎得主Lars Onsager在1945年首次預測的那樣，量子流體中的旋渦隻能以整數單位扭曲。

這些旋轉結構被預測為對研究從量子系統到黑洞的一切都有廣泛的用途。但雖然在許多系統中已經看到了最小的可能的量子漩渦即一個單位的旋轉，但更大的漩渦并不穩定。雖然科學家們曾試圖強迫更大的旋渦将自己固定在一起，但結果卻喜憂參半：當旋渦形成後所使用的方法的嚴重性通常會破壞其效用。

現在，來自劍橋大學的Samuel Alperin和Natalia Berloff教授發現了一種理論機制，通過這種機制，巨大的量子渦旋不僅穩定并且在其他接近均勻的流體中自行形成。這些發現發表在《Optica》上，它可能為實驗鋪平道路，這些實驗可能為了解跟巨型量子漩渦有相似之處的旋轉黑洞的性質提供了線索。

為了做到這一點，研究人員使用了一種光和物質的量子混合體，稱為偏振子。這些粒子通過将激光照射到特殊的分層材料上形成。劍橋大學應用數學和理論物理系的博士生Alperin說道：“當光被困于層中時，光和物質變得不可分割，并且把所産生的物質看成是與光或物質不同的東西，與此同時繼承了兩者的特性，這就變得更加實際了。”

偏振子最重要的特性之一來自于一個簡單的事實，即光不可能永遠被困住。一個需要高密度的奇異粒子的偏振子流體會不斷地驅逐光線，并需要從激光器中獲得新鮮的光線來生存。“其結果是一種永遠不允許沉澱的流體，它不需要遵守通常是物理學中的基本限制如能量守恒。在這裡，能量可以作為流體動力學的一部分而改變，”Alperin說道。

研究人員正是利用了這些不斷流動的液态光使難以捉摸的巨大漩渦得以形成。新建議不是将激光照射在極化子流體本身，而是将光塑造成一個環狀進而形成一個持續的向内流動，這類似于水流向浴缸排水口的方式。根據該理論，這種流動足以将任何旋轉集中到一個巨大的漩渦中。

Alperin說道：“巨大的旋渦真的可以在适合其研究和技術使用的條件下存在，這相當令人驚訝，但實際上它隻是表明極子的流體動力學跟研究得更充分的量子流體有多麼徹底的不同。這是一個令人興奮的領域。”

研究人員表示，他們對巨型量子漩渦的研究才剛剛開始。他們能模拟幾個量子漩渦的碰撞，因為它們以越來越快的速度圍繞着對方跳舞，直到它們碰撞形成一個類似于黑洞碰撞的巨大漩渦。另外，他們還解釋了限制最大旋渦尺寸的不穩定性，并與此同時探索了旋渦行為的複雜物理學。

“這些結構有一些有趣的聲學特性：它們有取決于其旋轉的聲學共振，所以它們有點像在唱關于自己的信息，”Alperin說道，“在數學上，這跟旋轉的黑洞輻射有關其自身屬性的信息的方式相當類似。”

研究人員希望這種相似性能夠帶來對量子流體動力學理論的新認識，但他們也表示，極子可能是研究黑洞行為的一個有用工具。

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