Hiromitsu Takeuchi, professor da Escola de Pós-Graduação em Ciências, Osaka City University, e pesquisador do Instituto Nambu Yoichiro de Física Teórica e Experimental (NITEP), teoricamente identificou a natureza de um misterioso defeito topológico produzido pela evolução do tempo de desequilíbrio recentemente descoberta de quebra espontânea de simetria (SSB). Uma vez que o SSB realizado neste sistema é como o SSB que é conhecido por ocorrer em supercondutores isotrópicos e superfluido 4He, esperava-se que produzisse defeitos topológicos com propriedades semelhantes a vórtices no fluido, chamados vórtices quânticos. Contudo, o defeito topológico observado neste experimento tem uma estrutura que tem pouca semelhança com o SSB mencionado anteriormente, e suas propriedades físicas foram envoltas em mistério. Nesta pesquisa, a ideia de aplicar a transformada de Joukowski, que é usado para calcular a elevação das asas do avião, aos vórtices quânticos foi introduzido pela primeira vez, e a análise revelou que o estado mais estável desse misterioso defeito topológico é um novo defeito topológico denominado vórtice elíptico quântico. Os resultados desta pesquisa foram publicados online em Cartas de revisão física , considerada uma das revistas de maior prestígio no campo da física.

Uma função dependente do tempo e do espaço chamada de "campo" é comumente usada para descrever as propriedades dos sistemas físicos nos quais o SSB ocorre. Se o movimento do campo pode ser calculado, o comportamento do sistema pode ser previsto. Contudo, o cálculo é geralmente difícil porque os graus de liberdade do campo são infinitos.

Uma maneira eficaz de descrever o movimento complexo de um campo é representar os graus de liberdade de um objeto flutuando nele, chamado de defeito topológico. O campo ao redor do "núcleo" de um defeito topológico tem uma certa estrutura. Portanto, descrevendo o centro do núcleo como o movimento de um ponto de massa, o movimento do campo pode ser previsto aproximadamente.

Esta situação é semelhante à forma como a mudança futura na direção do vento pode ser prevista até certo ponto, olhando para a trajetória do olho de um tufão. Em materiais onde o SSB normalmente ocorre, como supercondutores e superfluidos, este "vento" corresponde a corrente sem resistência e fluxo sem atrito, respectivamente. Uma vez que a estrutura do campo em torno do núcleo pode ser prevista de acordo com a quebra de simetria, pensou-se que o comportamento de defeitos topológicos, e, portanto, o comportamento do campo, pode ser entendido se a quebra de simetria for entendida em uma escala global.

Um fenômeno que refuta essa ideia foi recentemente observado pelo grupo experimental do professor Shin na Universidade Nacional de Seul [Phys. Rev. Lett. 122, 095301 (2019)]. Uma vez que a quebra de simetria neste sistema experimental é semelhante à dos supercondutores e superfluidos comuns bem conhecidos, a forma do núcleo do defeito topológico, chamado de vórtice quântico, deve ser redondo como o olho de um tufão em uma seção transversal bidimensional.

Contudo, a estrutura real da seção transversal do defeito de fase observada era completamente diferente. A Figura 1 mostra uma fotografia experimental da estrutura correspondente à seção transversal de um defeito topológico causado por uma transição de fase repentina. No momento, este defeito topológico foi considerado um composto de dois defeitos topológicos conhecidos (defeito composto) e foi interpretado como um estado transiente que ocorre temporariamente durante o processo de transição de fase próximo ao ponto crítico.

Neste estudo, para esclarecer as propriedades físicas do defeito composto observado no experimento, Hiromitsu Takeuchi apresentou a ideia de aplicar a transformação de Joukowski, que é usado para calcular a sustentação de uma asa de avião, para o vórtice quântico. Com base nesta ideia, o defeito topológico observado no experimento é eventualmente estabilizado como um novo defeito topológico denominado vórtice elíptico quântico. Os vórtices quânticos comuns têm um fluxo rotacionalmente simétrico em sua seção transversal, como o olho de um tufão (Fig. 2, deixou). Contudo, a seção transversal do vórtice elíptico quântico recém-proposto quebra espontaneamente a simetria rotacional e forma um fluxo ao longo da elipse. Anteriormente, pensava-se que a forma externa de um defeito topológico era determinada com base na forma como ocorre o SSB global do sistema físico, mas esse resultado claramente derruba essa percepção.

É teoricamente conhecido que tal estrutura estranha ocorre perto do ponto crítico da transição de fase, e que o SSB local dentro do núcleo do defeito topológico está profundamente envolvido em sua estabilidade.

Embora SSB tenha sido estudado por muito tempo, não há um entendimento geral de como o SSB local dentro do núcleo ocorre e como ele afeta as propriedades físicas dos defeitos topológicos. Defeitos topológicos aparecem não apenas em materiais especiais, como supercondutores, mas também em uma variedade de sistemas físicos, desde materiais relativamente familiares, como cristais e cristais líquidos, até ciência e tecnologia de ponta, como spintrônica, e são considerados como desempenhando papéis importantes em uma estrela de nêutrons em rotação e na dinâmica de transição de fase no início do universo. Há esperança de que novos desenvolvimentos em SSBs, como a descoberta de Takeuchi, será trazido por melhorias em técnicas experimentais e correspondentes avanços na teoria, e que eles terão um efeito cascata em todo o campo da física.