Visione artistica del decadimento di un monopolo quantomeccanico in un monopolo di Dirac. Attestazione:Heikka Valja
Scienziati dell'Amherst College (USA) e della Aalto University (Finlandia) hanno effettuato le prime osservazioni sperimentali della dinamica dei monopoli isolati nella materia quantistica.
Il nuovo studio ha fornito una sorpresa:il monopolio quantistico decade in un altro analogo del monopolio magnetico. La comprensione fondamentale ottenuta della dinamica dei monopoli può aiutare in futuro a costruire analoghi ancora più stretti dei monopoli magnetici.
A differenza dei normali magneti, i monopoli magnetici sono particelle elementari che hanno solo un polo magnetico sud o nord, ma non entrambi. Teoricamente sono stati previsti per esistere, ma non sono state riportate osservazioni sperimentali convincenti. Così i fisici sono impegnati nella ricerca di oggetti analogici.
- Nel 2014, abbiamo realizzato sperimentalmente un monopolo Dirac, questo è, La teoria di 80 anni di Paul Dirac in cui originariamente considerava le particelle quantistiche cariche che interagiscono con un monopolio magnetico, dice il professor David Hall dell'Amherst College.
- E nel 2015, abbiamo creato veri monopoli quantistici, aggiunge il Dr. Mikko Möttönen dell'Università di Aalto.
Considerando che l'esperimento del monopolo di Dirac simula il moto di una particella carica in prossimità di un campo magnetico monopolare, il monopolo quantistico ha una struttura puntiforme nel proprio campo che ricorda quella della particella del monopolo magnetico stessa.
Vista verso la camera sperimentale principale dell'apparato, che mostra le bobine del campo magnetico e i componenti ottici necessari per creare il superfluido contenente il monopolo quantistico. Vedere le istruzioni sopra per accedere all'immagine a piena risoluzione. Didascalia della figura 3. Credito:Marcus DeMaio/Amherst College
Da un monopolio quantistico all'altro in meno di un secondo
Ora la collaborazione monopolare guidata da David Hall e Mikko Möttönen ha prodotto un'osservazione di come uno di questi unici analoghi magnetici del monopolo si trasforma spontaneamente in un altro in meno di un secondo.
- Sembra facile, ma in realtà abbiamo dovuto migliorare l'apparato per realizzarlo, dice il signor Tuomas Ollikainen che è il primo autore del nuovo lavoro.
Gli scienziati iniziano con un gas estremamente diluito di atomi di rubidio raffreddato vicino allo zero assoluto, a quale temperatura forma un condensato di Bose-Einstein. Successivamente, preparano il sistema in uno stato non magnetizzato e fanno salire un punto zero del campo magnetico esterno nel condensato creando così un monopolo quantistico isolato. Quindi mantengono fermo il punto zero e aspettano che il sistema si magnetizzi gradualmente lungo il campo magnetico spazialmente variabile. La conseguente distruzione del monopolio quantistico dà vita a un monopolio di Dirac.
- Stavo saltando in aria quando ho visto per la prima volta che otteniamo un monopolo Dirac dal decadimento. Questa scoperta lega bene i monopoli che abbiamo prodotto negli anni, dice il dottor Möttönen.
Immagine laterale sperimentale del monopolio quantistico a sinistra. Dopo 0,2 secondi, il monopolio quantistico è decaduto nel monopolo di Dirac mostrato a destra. I diversi colori rappresentano la direzione dello stato magnetico interno degli atomi e la luminosità corrisponde alla densità delle particelle. Vedere le istruzioni di seguito per accedere all'immagine a piena risoluzione. Didascalia della figura 2. Credito:Tuomas Ollikainen
Oltre il Nobel per la fisica
Il monopolio quantistico è un cosiddetto difetto puntiforme topologico, questo è, un unico punto nello spazio circondato da una struttura allo stato non magnetizzato della condensa che non può essere rimossa da una continua risagomatura. Tali strutture sono legate al Premio Nobel per la Fisica 2016 che è stato assegnato in parte per le scoperte di transizioni di fase topologiche che coinvolgono vortici quantistici, o vortici.
- Le linee di vortice sono state studiate sperimentalmente nei superfluidi per decenni; monopoli, d'altra parte, sono stati studiati sperimentalmente per pochi anni, dice il prof. Hall.
Sebbene la sua topologia protegga il monopolio quantistico, può decadere poiché l'intera fase della materia cambia da non magnetizzata a magnetizzata.
- Non importa quanto sia robusta una scultura di ghiaccio che realizzi, tutto scorre nello scarico quando il ghiaccio si scioglie, dice il signor Ollikainen.
- Per la prima volta, abbiamo osservato la comparsa spontanea dei monopoli di Dirac e delle relative linee di vortice, dice il dottor Möttönen.
