近日，西北大学理论物理研究团队柏文凯博士、杨涛教授与合作者在玻色-爱因斯坦凝聚体中的拓扑激发态相互作用方面取得重要进展，揭示了涡旋环与涡旋线之间相互作用动力学的新机制。螺旋涡旋环作为经典与量子流体中广泛存在的重要拓扑结构，在湍流的产生与耗散过程中具有关键作用。尽管螺旋涡旋环的动力学行为已受到广泛关注，但以往研究主要关注开尔文波对涡旋环的减速作用，对不同拓扑激发之间的相互作用仍缺乏深入研究。该研究发现通过调控轴向涡旋线的拓扑荷的极性与大小，可显著改变涡旋环的平动速度与角速度；通过引入转动惯量张量的动态分析方法，揭示了涡旋结构在相互作用过程中的演化机制。研究结果加深了对量子涡旋动力学的理解，为揭示湍流的形成和耗散机制提供了新的理论依据。
涡旋是一类在水、空气、光学系统以及玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）等多种经典与量子体系中广泛存在且受到深入研究的拓扑激发态。在三维空间中，涡旋可表现为涡旋线、涡旋扭结和涡旋链环等多种拓扑结构。其中，涡旋环作为拓扑中最简单的纽结结构，因其与一系列奇异物理现象密切相关而受到广泛关注。BEC凭借其高度纯净和可控性，成为研究拓扑激发量子动力学行为的理想平台。相比之下，在经典介质中，涡旋的辐射与重联等现象往往受到环境噪声的显著干扰，给相关机理研究带来极大挑战。
图1：涡旋星系，涡旋烟圈，龙卷风，水涡，翼尖涡流，旋转BEC形成的的涡旋晶格。（图片来自网络）
螺旋涡旋环通常是指受开尔文波扰动的涡旋环，其涡核因偏离理想的旋转对称形状而呈现出螺旋结构。这类涡旋环兼具平动和旋转两种运动模式。尽管关于其平动速度的研究较为深入，但其旋转行为仍存在较大不确定性。开尔文波的存在不仅会显著抑制螺旋涡旋环的传播速度，甚至可能引发运动方向的反转。涡旋环与涡旋线作为基本拓扑激发结构，其相互作用是涡旋动力学中的一个核心问题，其相互耦合可形成霍普夫子等复杂拓扑激发结构，对其稳定性产生重要影响。此外，涡旋结构的相互作用和重联过程被认为是量子湍流耗散的关键机制，尤其在柯尔莫哥洛夫型与超量子型湍流的衰减路径中扮演着重要角色。理解这些动力学过程，对于揭示量子湍流的复杂性具有重要意义。
图2：螺旋涡旋环。（a）波数为3的开尔文波扰动下的螺旋涡旋环示意图(蓝色)。无扰动的理想涡旋环（红色）[1]。（b）波数为5的螺旋型、平面型和垂直型开尔文波扰动下的螺旋涡旋环的俯视图与侧视图[2]。
该研究结合理论解析和数值模拟，深入研究了BEC中螺旋涡旋环与涡旋线相互作用下的平动与旋转动力学。首先，发现对于没有开尔文波扰动的理想涡旋环，引入涡旋线可提升涡旋环的平移速度；其次，揭示了在存在开尔文波的螺旋涡环结构中，涡旋线的拓扑荷极性会显著增强或抑制其平移速度；再次，发现开尔文波可诱导涡旋环旋转行为，且该旋转可通过涡旋线进行调控；最后，引入转动惯量张量对涡旋结构的几何演化进行刻画，并揭示其结果可与经典流体中的涡旋现象建立类比，为理解复杂湍流体系提供理论依据。
图3：螺旋涡旋环的平移动力学。(a)(b)分别为螺旋涡旋环和嵌入涡旋线的螺旋涡旋环的密度等值面。(c)-(e) 初始时刻的速度场分布，分别对应无涡旋线、加入s=1涡旋线、以及s=-1涡旋线的情况。(f)-(i) 螺旋涡旋环的平移速度随开尔文波振幅A和波数n的变化。
该研究成果以“Dynamics of a helical vortex ring interacting with a vortex line”为题，发表在NATURE旗下国际著名物理刊物Communications Physics上[3]。西北大学为第一单位，柏文凯博士为第一作者，英国杜伦大学S.A. Gardiner教授、中国科学院物理研究所刘伍明研究员、杨涛教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划、陕西省基础科学（数学、物理学）研究院项目和陕西高校青年创新团队等项目的支持。
图4：调控螺旋涡旋环。（a）螺旋涡旋环的旋转动力学。(b)-(d)利用涡旋线来调控螺旋涡旋环的旋转动力学。(e)涡旋三叶结的旋转动力学。
https://www.nature.com/articles/s42005-025-02109-x
杨涛教授团队长期从事超冷原子中拓扑激发动力学的研究，近年来取得了一系列研究成果。该团队提出了利用简单拓扑结构可控构建复杂拓扑结构的新思路[1，4]，以及在玻色气体中模拟半整数磁单极子的方案[5]；此外，还提出了利用几何淬火与量子湍流相结合，在二维环状玻色凝聚体中激发出高度稳定且无拓扑缺陷的持续环流的新方法[6]；同时，该团队利用二维凝聚体构造了具有限流限压特性的量子震荡器件[7]。这些研究为理解涡旋激发动力学机制以及发展新型原子量子电路提供了新思路。
参考文献
1. Bai, W.-K., Yang, T. and Liu, W.-M. Topological transition from superfluid vortex rings to isolated knots and links. Phys. Rev. A 102, 063318 (2020).
2. Bai, W.-K., Xing, J.-C., Yang, T., Yang, W.-L. and Liu, W.-M. Nonlinear dynamics of a Bose-Einstein condensate excited by a vortex ring phase imprinting. Results Phys. 22, 103828 (2021).
3. Bai, W.-K., Yang, X., Zhu, H., Gardiner, S. A., Liu, W.-M. and Yang, T. Dynamics of a helical vortex ring interacting with a vortex line. Commun. Phys. 8, 183 (2025).
4. Zou, S., Bai, W.-K., Yang, T. and Liu, W.-M. Formation of vortex rings and hopfions in trapped Bose-Einstein condensates. Phys. Fluids 33, 027105 (2021).
5. Chen, X.-Y., Jiang, L., Bai, W.-K., Yang, T. and Zheng, J.-H. Synthetic half-integer magnetic monopole and single-vortex dynamics in spherical Bose-Einstein condensates. Phys. Rev. A 111, 033322 (2025).
6. Chen, X.-Y., Yang, W.-L., Liu, W.-M. and Yang, T. Persistent current induced by turbulent cascade and geometric quench in superfluid Bose-Einstein condensates. Front. Phys. 20, 42204 (2025).
7. Yang, X., Bai, W.-K., Jiao, C., Liu, W.-M., Zheng, J.-H. and Yang, T. Superfluid oscillator circuit with a quantum current regulator. Phys. Rev. A 109, 043312 (2024).