Os cientistas mostraram como três vórtices podem ser ligados de forma a impedir que sejam desmantelados. A estrutura dos links se assemelha a um padrão usado pelos vikings e outras culturas antigas, embora este estudo tenha se concentrado em vórtices em uma forma especial de matéria conhecida como condensado de Bose-Einstein. As descobertas têm implicações para a computação quântica, física de partículas e outros campos.

O estudo foi publicado na revista Communications Physics .

A pesquisadora de pós-doutorado Toni Annala usa cordas e vórtices de água para explicar o fenômeno: “Se você fizer uma estrutura de ligação de, digamos, três cordas contínuas em um círculo, não poderá desvendá-lo porque a corda não pode passar por outra corda. Se, por outro lado, a mesma estrutura circular for feita na água, os vórtices de água podem colidir e se fundir se não forem protegidos."

"Em um condensado de Bose-Einstein, a estrutura de ligação está em algum lugar entre os dois", diz Annala, que começou a trabalhar nisso no grupo de pesquisa do professor Mikko Möttönen na Aalto University antes de voltar para a University of British Columbia e depois para o Institute for Estudos Avançados em Princeton. Roberto Zamora-Zamora, pesquisador de pós-doutorado do grupo de Möttönen, também participou do estudo.

Os pesquisadores demonstraram matematicamente a existência de uma estrutura de vórtices ligados que não podem se separar por causa de suas propriedades fundamentais. "O novo elemento aqui é que fomos capazes de construir matematicamente três vórtices de fluxo diferentes que estavam ligados, mas não podiam passar um pelo outro sem consequências topológicas. Se os vórtices se interpenetrassem, um cordão se formaria na interseção, que liga os vórtices juntos e consome energia. Isso significa que a estrutura não pode quebrar facilmente", diz Möttönen.

A estrutura é conceitualmente semelhante aos anéis borromeanos, um padrão de três círculos interligados que tem sido amplamente utilizado no simbolismo e como brasão. Um símbolo viking associado a Odin tem três triângulos interligados de maneira semelhante. Se um dos círculos ou triângulos for removido, todo o padrão se dissolve porque os dois restantes não estão diretamente conectados. Cada elemento, portanto, liga seus dois parceiros, estabilizando a estrutura como um todo.

A análise matemática nesta pesquisa mostra como estruturas igualmente robustas podem existir entre vórtices atados ou ligados. Tais estruturas podem ser observadas em certos tipos de cristais líquidos ou sistemas de matéria condensada e podem afetar como esses sistemas se comportam e se desenvolvem.

"Para nossa surpresa, esses links e nós protegidos topologicamente não haviam sido inventados antes. Provavelmente porque a estrutura do link requer vórtices com três tipos diferentes de fluxo, o que é muito mais complexo do que os sistemas de dois vórtices considerados anteriormente", diz Möttönen .

Essas descobertas podem um dia ajudar a tornar a computação quântica mais precisa. Na computação quântica topológica , as operações lógicas seriam realizadas trançando diferentes tipos de vórtices entre si de várias maneiras. “Em líquidos normais, os nós se desfazem, mas em campos quânticos pode haver nós com proteção topológica, como estamos descobrindo agora”, diz Möttönen.

Annala acrescenta que "o mesmo modelo teórico pode ser usado para descrever estruturas em muitos sistemas diferentes, como cordas cósmicas na cosmologia". As estruturas topológicas utilizadas no estudo também correspondem às estruturas de vácuo da teoria quântica de campos. Os resultados podem, portanto, também ter implicações para a física de partículas .

Em seguida, os pesquisadores pretendem demonstrar teoricamente a existência de um nó em um condensado de Bose-Einstein que estaria topologicamente protegido contra a dissolução em um cenário experimentalmente viável. “A existência de nós protegidos topologicamente é uma das questões fundamentais da natureza. Após uma comprovação matemática , podemos partir para simulações e pesquisas experimentais ”, diz Möttönen.