En mærkelig monopol observeret i diamant:Når strengteori inspirerer til kvantesimulering

Teoretiske fysikere introducerer rutinemæssigt fiktive partikler og felter i deres beregninger med henblik på at færdiggøre en teori eller blot for at gøre den mere elegant. Et slående eksempel vedrører den magnetiske monopol, som Dirac forestillede sig i 1931:en punktlignende kilde til magnetisk felt, som er fraværende i klassisk elektromagnetisme. Mens Dirac-monopolen aldrig blev observeret i naturen, optræder den kunstigt i forskellige fysiske omgivelser, især i fast tilstand.

I 2018 foreslog Giandomenico Palumbo og Nathan Goldman (Science Faculty, ULB) et forsøgsskema, hvormed eksotiske "tensor"-monopoler, som oprindeligt blev introduceret i strengteori, kan skabes og observeres i laboratoriet. Disse tensormonopoler er punktlignende kilder til generaliserede magnetiske felter (kendt som Kalb-Ramond-felter), der lever i et firedimensionelt rum, og de optræder naturligt i strengteoriens matematiske ramme. Det centrale resultat af Palumbo-Goldman, offentliggjort i Physical Review Letters i 2018, er, at tensormonopoler kan skabes kunstigt ved at manipulere et simpelt kvantesystem, såsom et tre-niveau atom koblet med lasere.

I en ny publikation i Science , beskriver teamet fra Paola Cappellaro (MIT) den eksperimentelle implementering af Palumbo-Goldman-modellen samt observationen og karakteriseringen af ​​den associerede tensormonopol. I dette eksperiment manipulerer holdet et kunstigt atom, der er realiseret ved en defekt i diamant (et nitrogen-fritidscenter eller NV-center). Ved at bruge denne meget kontrollerbare kvanteopsætning forberedte eksperimentalisterne den syntetiske monopol, målte det udgående Kalb-Ramond-felt og bestemte den kvantiserede ladning af monopolen (et heltal sat af topologi).

Dette arbejde illustrerer, hvordan en kvantesimulator kan udnyttes med henblik på at studere abstrakte og komplekse fysiske strukturer, som oprindeligt blev introduceret i sammenhæng med matematisk fysik. + Udforsk yderligere

Ødelæggelse af en kvantemonopol observeret