超导态中的开尔文纽结

Kelvin 和 Tait 失败的“涡旋原子”物质理论对数学和物理学产生了深远影响。基于 Helmholtz 对涡旋的理解，并观察到烟环的稳定性，他们假设基本粒子（当时指原子）是充满宇宙的理想流体——光以太中不可毁灭的纽结涡旋：假想的理想流体。涡旋原子理论将化学元素识别为拓扑不同的涡旋纽结，并将物质解释为该纽结涡旋的束缚态。这项工作开创了数学中的纽结理论领域。它也影响了现代物理学，在那里与超流理论存在密切但不完全的类似，后者始于 Onsager 和 Feynman 引入量子涡旋。事实上，超导体和超流体的许多宏观性质确实由形成不同“聚集态”（如涡旋晶体和液体）的涡旋线决定。尽管近年来人们认识到纽结对许多物理系统至关重要，但 Kelvin 理论核心要素——稳定的类粒子涡旋纽结——尚无已知的物理实现。确实，超流体和普通超导体中的涡旋环与纽结作为动力学激发出现，并因 Derrick 定理而不稳定。这种不稳定性实际上决定了超流体的许多普遍宏观性质。在此我们表明，存在具有根本不同涡旋性质、其中涡旋纽结本质稳定的超导态。我们证明，此类特征应在某些临界点附近实现，在那里超导态的流体-磁静力学产生稳定的涡旋纽结，其行为类似于 Kelvin 和 Tait 光以太涡旋原子理论中所设想的涡旋纽结。