Odkrycie kwantowe daje wgląd w coś innego

Dziedzina fizyki kwantowej jest pełna ścieżek prowadzących do nowych dziedzin nauki, jednak jedna królicza nora oferuje niepowtarzalny widok na świat, w którym cząstki zachowują się inaczej – poprzez przysłowiowe lustro.

Nazwany „Pierścień Alicji” na cześć słynnych na całym świecie opowieści Lewisa Carrolla o przygodach Alicji w Krainie Czarów, wygląd obiektu podkreśla istniejącą od kilkudziesięciu lat teorię o zanikaniu monopoli na biegunach. W szczególności rozpada się w wir przypominający pierścień, gdy inne monopole przechodzące przez jego środek przechodzą w stronę przeciwnych ładunków magnetycznych.

Opublikowany w Komunikacja przyrodnicza 29 sierpniaOdkrycia stanowią najnowsze odkrycie w serii prac obejmujących wspólne kariery profesora Uniwersytetu Aalto Mikko Motonena i profesora Amherst College Davida Halla.

„To był pierwszy raz, kiedy nasza współpraca pozwoliła stworzyć pierścionki Alicji w naturze, co było ogromnym osiągnięciem” – powiedział Motonen.

„To podstawowe badanie otwiera nowe drzwi do zrozumienia, w jaki sposób te struktury i ich odpowiedniki działają w fizyce cząstek we wszechświecie” – dodał Hall.

Długotrwała relacja, zatytułowana współpraca w zakresie monopoli biegunowych, po raz pierwszy wykazała kwantowy odpowiednik monopoli magnetycznych w 2014 roku. Izolowane monopole kwantowe W końcu w 2015 Zauważasz rozpad jednego w drugi w 2017 r.

Monopole pozostają nieuchwytną koncepcją w dziedzinie fizyki kwantowej. Jak sama nazwa wskazuje, monopole są jedynym odpowiednikiem dipoli, które przenoszą ładunek dodatni na biegunie północnym i ładunek ujemny na biegunie południowym. Natomiast monopol niesie tylko ładunek dodatni lub ujemny.

Choć koncepcja wydaje się prosta, osiągnięcie prawdziwego monopolu okazało się zadaniem determinującym karierę. Oto jak udało się tego dokonać w ramach projektu Monopole Collaboration: manipulowano gazem złożonym z atomów rubidu, przygotowanym w stanie niemagnetycznym, zbliżonym do temperatury zera absolutnego. W tych ekstremalnych warunkach udało im się następnie stworzyć monopol, kierując punkt zerowy trójwymiarowego pola magnetycznego na gaz kwantowy.

Założenie podstaw teoretycznych

Te bieguny kwantowe są z natury efemeryczne i zanikają w ciągu kilku milisekund po ich utworzeniu. W świetle tej niestabilności powstaje pierścień Alicji.

„Pomyśl o monopolu na tyczkę jak o jajku kołyszącym się na szczycie wzgórza” – powiedział Motonen. „Najmniejsze zakłócenia mogą spowodować ich zapadnięcie. W ten sam sposób monopole są narażone na hałas, który powoduje ich rozpad na pierścienie Alicji.

Chociaż monopole są krótkotrwałe, grupa badawcza symulowała stabilne pętle Alice przez okres do 84 milisekund, czyli ponad 20 razy dłużej niż czas życia monopoli. To prowadzi badaczy do optymizmu, że przyszłe eksperymenty ujawnią bardziej egzotyczne właściwości pierścieni Alicji.

„Z daleka pierścień Alicji wydaje się być jednobiegunowy, ale świat przybiera inny kształt, gdy patrzy się przez środek pierścienia” – powiedział Hall.

„Z tej perspektywy wszystko wydaje się być odwrócone, jakby pierścień był bramą do świata antymaterii, a nie materii” – dodał Motonen.

Teoretycznie monopol przechodzący przez środek pierścienia Alicji zamieni się w antypolar o przeciwnym ładunku. Odpowiednio zmieni się również ładunek pierścienia Alicji. Choć zjawiska tego nie zaobserwowano jeszcze eksperymentalnie, Motonen stwierdził, że topologiczna struktura pętli Alicji wymusza takie zachowanie.

Prace eksperymentalne w Amherst College prowadziły głównie doktorantki Alina Blinova i Hall, natomiast Mutonen i jego zespół byli odpowiedzialni za przeprowadzenie symulacji dopasowywania. W ten sposób oba zespoły były w stanie potwierdzić interpretację obserwacji eksperymentalnych.

„To po prostu niesamowite, że tak duże odkrycie stanowi zakończenie mojej pracy doktorskiej” – powiedziała Blinova.

Symulacje przeprowadzone na Uniwersytecie Aalto były możliwe dzięki wsparciu CSC – Centrum Technologii Informatycznych dla Nauki i Rady ds. Badań Naukowych Finlandii za pośrednictwem Centrum Doskonałości Technologii Kwantowej oraz eksperymentom w USA dzięki wsparciu finansowemu ze strony National Science Foundation.