美國著名作家艾薩克·阿西莫夫（Isaac Asimov）曾說過：「科學中有藝術，而藝術中也有科學。」最近的一項研究證實了這句話，突顯了文森特·梵高（Vincent van Gogh）著名畫作《星夜》（The Starry Night）與量子物理學之間前所未見的聯繫。該研究的主要焦點是凱爾文-亥姆霍茲不穩定性（Kelvin–Helmholtz instability，簡稱 KHI），這是一種在日常世界中觀察到的現象，當兩種流體以不同速度滑過彼此時，能夠在雲層、河流或海洋表面上形成波浪和漩渦。大阪市立大學的副教授竹內宏光（Hiromitsu Takeuchi）表示：「我們的研究始於一個簡單的問題：凱爾文-亥姆霍茲不穩定性是否會發生在量子流體中？」直到現在，沒有人在量子流體中實際觀察到 KHI。然而，當前研究的作者不僅首次捕捉到了這一現象，還發現了具有新月形狀的漩渦，稱為偏心分數斯基爾米翁（eccentric fractional skyrmions，簡稱 EFS），它們與梵高的《星夜》中發光的月亮驚人地相似。
Skyrmions 通常是對稱且居中的，但 EFS 具有新月狀的形狀，並包含嵌入的奇異點，這些點是正常自旋結構崩潰的地方，從而產生尖銳的扭曲。竹內補充道：「在《星夜》的右上方，大的新月形月亮看起來就像是 EFS。」在普通流體中，KHI 會在兩種流動之間存在明顯的速度差時出現，這一效應可以在波濤洶湧的海面或天空中的雲層中輕易觀察到。然而，在量子流體中重現這一效應並非易事。量子流體，如玻色-愛因斯坦凝聚態或超流體，依賴量子力學運行，而非經典物理學。它們沒有粘度，且其特性與精細的量子狀態相關，這些狀態 notoriously 難以創建和控制。數十年來，這使得在此類系統中直接觀察 KHI 似乎難以實現。
研究作者克服了這一挑戰，使用了一種有趣的設置。他們將鋰原子氣體冷卻至接近絕對零度的溫度，強迫其進入多組分玻色-愛因斯坦凝聚態，這是一種原子表現為單一相干量子波的相位。他們將凝聚態排列為兩個重疊的組分，這些組分以不同的速度流過彼此。在這些流動的邊界處，開始形成波紋圖案，與經典 KHI 的早期階段十分相似。接下來的現象是全新的。在量子環境中，不穩定性不僅僅產生平滑的波浪，而是生成了漩渦，其結構由系統的量子性質決定。這些漩渦最終被證實是 EFS，一種新類型的拓撲缺陷。
與在磁性材料中發現的對稱 skyrmions 不同，EFS 是偏移的、新月形的，並包含嵌入的奇異點，這些奇異點使得正常自旋模式突然崩潰，產生尖銳的扭曲。研究作者表示：「這些 skyrmions 來自與偏心自旋奇異性相關的異常對稱性破壞，並攜帶著一半的基本電荷，這一特徵使它們與傳統 skyrmions 和 merons 区分開來。」Skyrmions 已經被研究人員調查其在自旋電子學中的潛力，這是一個新興領域，旨在通過控制粒子自旋而非電流來構建更快速、更高效的數據存儲和計算設備。在量子流體中發現一種全新的 skyrmion 類型可能為創造和操控這些結構提供未開發的途徑。此外，這項研究還為理論提出了新的問題。例如，EFS 並不完全符合現有的拓撲分類，這表明我們對這些量子結構的理解仍然不完整。
研究作者補充說：「我們的結果證實了經典和量子凱爾文-亥姆霍茲不穩定性之間的普遍性，並擴大了我們對拓撲量子系統中複雜非線性動力學的理解。」研究人員現在計劃進行更精確的實驗，這可能使他們能夠測試一世紀前關於凱爾文-亥姆霍茲波的波長和頻率的預測。他們還希望查看類似的漩渦是否會出現在其他多組分或更高維度的量子系統中。這項發現始於對19世紀藝術作品的致敬，最終可能會重塑21世紀物理學的某些領域。該研究已發表在《自然物理學》（Nature Physics）期刊上。
