Ødelæggelse af en kvantemonopol observeret

Forskere ved Amherst College (USA) og Aalto University (Finland) har lavet de første eksperimentelle observationer af dynamikken i isolerede monopoler i kvantestof.

Den nye undersøgelse gav en overraskelse:kvantemonopolen henfalder til en anden analog af den magnetiske monopol. Den opnåede grundlæggende forståelse af monopoldynamik kan hjælpe i fremtiden til at bygge endnu tættere analoger af de magnetiske monopoler.

I modsætning til sædvanlige magneter, magnetiske monopoler er elementarpartikler, der kun har en syd- eller nordmagnetisk pol, men ikke begge dele. De er teoretisk blevet forudsagt at eksistere, men ingen overbevisende eksperimentelle observationer er blevet rapporteret. Således har fysikere travlt med at lede efter analoge objekter.

- I 2014 vi realiserede eksperimentelt en Dirac-monopol, det er, Paul Diracs 80 år gamle teori, hvor han oprindeligt overvejede ladede kvantepartikler, der interagerer med en magnetisk monopol, siger professor David Hall fra Amherst College.

- Og i 2015, vi skabte rigtige kvantemonopoler, tilføjer Dr. Mikko Möttönen fra Aalto Universitet.

Mens Dirac monopoleksperimentet simulerer bevægelsen af ​​en ladet partikel i nærheden af ​​et monopolært magnetfelt, kvantemonopolen har en punktlignende struktur i sit eget felt, der ligner selve den magnetiske monopolpartikel.

Fra en kvantemonopol til en anden på mindre end et sekund

Nu har monopolsamarbejdet ledet af David Hall og Mikko Möttönen produceret en observation af, hvordan en af ​​disse unikke magnetiske monopolanaloger spontant bliver til en anden på mindre end et sekund.

- Det lyder nemt, men vi var faktisk nødt til at forbedre apparatet for at få det til at ske, siger hr. Tuomas Ollikainen, som er den første forfatter til det nye værk.

Forskerne starter med en ekstremt fortyndet gas af rubidiumatomer afkølet nær det absolutte nulpunkt, ved hvilken temperatur det danner et Bose-Einstein-kondensat. Efterfølgende de forbereder systemet i en ikke-magnetiseret tilstand og ramper et eksternt magnetfelt-nulpunkt ind i kondensatet og skaber dermed en isoleret kvantemonopol. Så holder de nulpunktet stille og venter på, at systemet gradvist magnetiserer langs det rumligt varierende magnetfelt. Den resulterende ødelæggelse af kvantemonopolen føder en Dirac-monopol.

- Jeg sprang i luften, da jeg for første gang så, at vi får en Dirac-monopol fra forfaldet. Denne opdagelse binder fint sammen de monopoler, vi har produceret gennem årene, siger Dr. Mötönen.

Ud over Nobels fysik

Kvantemonopolen er en såkaldt topologisk punktdefekt, det er, et enkelt punkt i rummet omgivet af en struktur i kondensatets ikke-magnetiserede tilstand, som ikke kan fjernes ved kontinuerlig omformning. Sådanne strukturer er relateret til 2016 Nobelprisen i fysik, som delvist blev tildelt for opdagelser af topologiske faseovergange, der involverer kvantehvirvler, eller hvirvler.

- Vortex-linjer er blevet undersøgt eksperimentelt i supervæsker i årtier; monopoler, på den anden side, er blevet undersøgt eksperimentelt i blot et par år, siger prof. Hall.

Selvom dens topologi beskytter kvantemonopolen, det kan henfalde, da hele stoffets fase ændres fra ikke-magnetiseret til magnetiseret.

- Uanset hvor robust en isskulptur du laver, det hele flyder ned i afløbet, når isen smelter, siger hr. Ollikainen.

- For første gang, vi observerede spontant dukkede Dirac-monopoler og de relaterede hvirvellinjer, siger Dr. Mötönen.