Magneti, sia sotto forma di bar, ferro di cavallo o elettromagnete, avere sempre due poli. Se rompi un magnete a metà, ti ritroverai con due nuovi magneti, ciascuno con il suo nord e sud magnetico.

Ma alcune teorie fisiche predicono l'esistenza di magneti unipolari, una situazione simile alle cariche elettriche, che vengono in pezzi positivi o negativi. Una particolare incarnazione, chiamata monopolo Yang dal nome del suo scopritore, era stata originariamente prevista nel contesto della fisica delle alte energie, ma non è mai stato osservato.

Ora, un team del JQI guidato dal ricercatore post-dottorato Seiji Sugawa e dal JQI Fellow Ian Spielman è riuscito a emulare un monopolio Yang con un gas ultrafreddo di atomi di rubidio. Il risultato, che fornisce un altro esempio di utilizzo di gas quantistici freddi per simulare altre aree della fisica, è stato riportato nel numero del 29 giugno di Scienza .

"Questo nuovo risultato collega le idee nate nella fisica delle alte energie - il monopolio Yang - con i concetti della fisica della materia condensata - transizioni di fase topologiche - e le realizza nel laboratorio di fisica atomica, " dice Spielman.

Per rilevare i monopoli Yang nel loro gas quantistico, Spielman, Sugawa e colleghi hanno manipolato gli aghi della bussola interna che tutti gli atomi trasportano, una proprietà quantistica chiamata spin, usando onde radio e microonde per ruotare gli aghi in modi specifici. Ciclando gli atomi tra quattro diversi orientamenti di spin, i ricercatori sono stati in grado di inviare gli atomi in un viaggio attraverso lo "spazio di rotazione" e riportarli al punto di partenza, proprio come un viaggiatore sulla superficie terrestre che compie un viaggio intorno al globo (ma in quattro dimensioni invece delle due del globo) .

Il team ha misurato l'orientamento degli spin degli atomi dopo aver completato il viaggio e ha confrontato il risultato con i loro orientamenti iniziali. Hanno scoperto che gli spin degli atomi non tornavano al punto di partenza, una discrepanza che può sorgere durante un viaggio attraverso lo spazio curvo. In questo caso, la dimensione e la direzione della deflessione corrispondevano alle previsioni per la curvatura creata da un monopolo Yang.

Per verificare che le deviazioni fossero effettivamente dovute al monopolo e non a un'altra sorgente, i ricercatori hanno inviato gli atomi in un viaggio diverso, uno che ha tentato di evitare la singolarità di piegatura dello spazio creata dal monopolo. In questo nuovo percorso, gli atomi non sentivano più uno strattone generale dalla curvatura, una forte indicazione che erano usciti dal regno di influenza del monopolio.

L'attivazione e la disattivazione degli effetti del monopolio dipende solo dalla forma del quadro generale dei percorsi che prendono gli atomi e non da piccole oscillazioni lungo il percorso, un'indicazione che l'effetto è topologico. I percorsi o racchiudono un monopolio o non lo fanno, e questo fornisce una caratteristica topologica che potrebbe portare a nuovi tipi di pompe di carica quantistica, Spielman dice.