Результаты были недавно опубликованы в журнале Nature.
Хотя это было предсказано более 80 лет назад, фундаментально квантово-механическая конфигурация монополей ранее не наблюдалась ни в одной физической системе. Представленные результаты демонстрируют структуру ультрахолодного атомарного газа.
«Создание синтетического магнитного монополя должно дать нам беспрецедентное понимание аспектов естественного монополя», — говорит проф. Дэвид С. Холл из Амхерст-колледжа, США. «Не каждый день приходится тыкать и толкать аналог неуловимой фундаментальной частицы в строго контролируемых условиях в лаборатории», — продолжает он.
Доказательства магнитных монополей искали в таких разнообразных источниках, как лунные образцы и древние слюды.
В поисках также использовался ускоритель частиц LHC стоимостью в несколько миллиардов евро в ЦЕРНе, но убедительно идентифицировать магнитные монополи не удалось. Открытие синтетического монополя обеспечивает более прочную основу для этих усилий.
«Наше достижение открывает потрясающие возможности для квантовых исследований.
Мне кажется невероятным, что я стал частью такого крупного прорыва », — говорит довольный доктор. Микко Моттонен из Университета Аалто, Финляндия. «Синтез монополя является отправной точкой для многих новых достижений в исследованиях квантовой физики. В будущем мы хотим получить еще более полное соответствие с естественным магнитным монополем », — продолжает он.
Магнитный монополь — это частица, похожая на электрон, но с магнитным, а не электрическим зарядом. Около 80 лет назад Пол А. M. Дирак, один из основателей квантовой физики, открыл квантово-механическую структуру, допускающую существование магнитных монополей. Оригинальная схема Дирака впервые экспериментально реализована.
Видео по созданию монополя: http: // youtube.com / watch?v = HSDoIf5FY2s
Фон
Магнитный монополь
"Магнитный монополь — это изолированный магнитный полюс, магнитный заряд и точечный источник магнитного поля."
Электрон — точечная частица, несущая так называемый элементарный электрический заряд. Это означает, что электрон является изолированным источником электрического поля.
Может ли магнитное поле иметь аналогичный точечный источник?
Каждый из нас, вероятно, держал в руках два стержневых магнита и заметил, что их концы либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга. Концы магнита называются полюсами, и каждый магнит имеет один конец, который является северным полюсом, а другой — южным полюсом. Северный магнитный полюс притягивает южный магнитный полюс, но отталкивает другой северный полюс.
Обычно противоположные полюса притягиваются, а одинаковые полюса отталкиваются. В этом отношении магнетизм очень похож на электричество, которое проявляет одинаковое притягивающее и отталкивающее поведение с участием положительных и отрицательных электрических зарядов.
Когда стержневой магнит ломается, создаются два стержневых магнита меньшего размера, каждый со своим северным и южным полюсом.
Вы можете разбить каждый из этих более мелких магнитов на два и так далее, и каждый полученный магнит будет иметь северный полюс и южный полюс. Даже на атомном уровне северный и южный полюса всегда появляются вместе. Таким образом невозможно создать одиночный полюс или монополь, который действует как единый точечный источник магнитного поля.
Есть ли другие способы найти магнитные монополи?
Пока что ни один естественный магнитный монополь достоверно не обнаружен. Первоначально это считалось проблемой, поскольку теоретические модели, описывающие период после Большого взрыва, предсказывали, что они должны быть довольно распространенными.
Однако была разработана специальная модель расширения Вселенной, которая может объяснить чрезвычайную редкость этих частиц.
Согласно некоторым теориям, энергосодержание (масса) одиночного магнитного монополя настолько велико, что, если бы он был полностью использован для подзарядки аккумулятора электромобиля, это транспортное средство могло бы проехать километры с энергией. Это объясняет, почему магнитные монополи, вероятно, вряд ли могут возникнуть в ускорителе частиц. Если масса магнитного монополя действительно настолько велика, энергия, выделяющаяся при столкновении отрицательно и положительно заряженного монополя, будет равна энергии, выделяющейся при взрыве килограмма динамита!
Монополь Дирака
"Монополь Дирака — это точечный источник, возможно, искусственного магнитного поля, которое образуется в конечной точке квантового водоворота."
В квантовой механике электрон описывается диффузным волнообразным объектом, а не точечной частицей. Поль Дирак был первым, кто осознал важность изучения конечных точек квантово-механических водоворотов в этих электронных волнах. Он заметил, что когда у электрона есть такой прекращающийся вихрь, магнитный монополь неизбежно формируется в конечной точке.
Прерывистый вихрь — определяющая характеристика монополя Дирака.
Дирак также заметил, что если Вселенная содержит хотя бы один магнитный монополь, он определяет наименьшее возможное значение электрического заряда. Все наблюдаемые сборы должны быть целыми числами, кратными этой минимальной стоимости; другими словами, заряд должен быть квантован.
Таким образом, существование монополя могло бы объяснить экспериментальное наблюдение квантования электрического заряда.
Монополи Дирака обычно анализируются в рамках довольно простой квантово-механической модели. С тех пор магнитные монополи изучались в рамках более общих, так называемых теорий единого поля, в которых они могли существовать в отсутствие прекращающегося вихря.
Синтетическое магнитное поле
"Синтетическое магнитное поле — это искусственное поле, которое приводит к динамике частиц, эквивалентной динамике электрического заряда в соответствующем естественном магнитном поле."
Электроны — не единственные физические системы, которые могут демонстрировать прекращающиеся вихри. Таким образом, монополь Дирака может появиться и в других системах, таких как конденсат Бозе-Эйнштейна. Этот монополь можно не связывать с естественным магнитным полем, а с синтетическим магнитным полем.
Важно отметить, что структура монополя идентична структуре магнитного монополя Дирака. Вот почему монополь Дирака, наблюдаемый в синтетическом магнитном поле, ближе к естественному магнитному монополю, чем любое предыдущее наблюдение.
Вращаться
"Грубо говоря, спин показывает, насколько быстро частица вращается вокруг собственной оси, и ориентацию этой оси."
Спин — это магнитное свойство многих частиц, включая электроны, протоны, нейтроны и даже многие типы атомов.
Например, спин электрона состоит из двух базисных состояний: вверх или вниз. Это описывает, вращается ли электрон вокруг своей оси по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Частица с ненулевым спином создает вокруг себя магнитное поле.
Однако это не монопольное поле — это так называемое дипольное поле с северным и южным магнитными полюсами, как у стержневого магнита. Даже этот самый маленький стержневой магнит нельзя разбить на два отдельных магнитных монополя.
Фактически, стержневые магниты состоят из бесчисленного количества маленьких спиновых диполей, почти все из которых направлены в одном направлении. Перекрывающиеся полюса разного знака нейтрализуют поля друг друга, и, таким образом, поле идеального стержневого магнита выглядит так, как будто у него есть магнитные полюса только на концах.
Спины имеют тенденцию выравниваться вдоль приложенного извне магнитного поля, что является ключом к созданию синтетического магнитного монополя.
Синтез монополя
"Монополь создается в конденсате Бозе-Эйнштейна с помощью внешнего магнитного поля, которое направляет спины атомов, образующих конденсат."
В 2009 году исследователи из Университета Аалто Вилле Пиетила и Микко Моттонен опубликовали теоретические результаты, демонстрирующие метод создания монополей Дирака в конденсате Бозе-Эйнштейна. Идея заключается в использовании внешних магнитных полей для вращения атомных спинов. Монополь Дирака образуется в конденсате в результате вращения спина. Этот метод был использован исследователями при создании синтетического магнитного монополя.
Монополь Дирака образуется в искусственном магнитном поле конденсата, а не в физическом магнитном поле, которое управляет спиновой степенью свободы. Таким образом, для создания синтетического монополя не требуется естественный магнитный монополь.
Конденсат Бозе-Эйнштейна
"Конденсат Бозе-Эйнштейна ведет себя как отдельный гигантский атом, даже если он может содержать миллионы."
Конденсат Бозе-Эйнштейна иногда считается пятым состоянием вещества, помимо твердого, жидкого, газового и плазменного. В конденсате важность и расположение отдельных атомов становятся неясными, и система ведет себя так, как если бы это был один большой атом. Первые конденсаты Бозе-Эйнштейна были получены в 1995 году, а эта работа получила Нобелевскую премию в 2001 году.
"Конденсаты Бозе-Эйнштейна открывают окно из нашего мира в квантовую страну чудес.
Чем чаще я заглядываю в него, тем больше мне хочется там оставаться », — говорит очарованный доктор. Моттонен. Поскольку конденсаты Бозе-Эйнштейна содержат много атомов, их фотографии можно делать с помощью технологии, которая частично аналогична той, что используется в обычных цифровых камерах. Кроме того, конденсатам можно придать желаемую форму с помощью внешних магнитных полей и лазерных лучей.
Эти свойства делают конденсаты уникальным инструментом для разработки новых явлений и квантовых технологий. Помимо использования с магнитными монополями, конденсаты могут моделировать свойства различных полезных материалов с точностью до одного атома. Одна из мечтаний исследователей конденсата — найти решение для разработки сверхпроводящих материалов, работающих при комнатной температуре.
Что такое квантовая физика??
"Квантовая физика наиболее точно описывает природные явления."
Квантовая физика (также квантовая механика) — это теория, разработанная за последние 100 лет, которая, по наблюдениям, описывает реальность более подробно, чем любая другая модель.
Это особенно полезно для объяснения явлений на атомном уровне, что невозможно с использованием классической физики. С другой стороны, квантовая физика воспроизводит те же результаты, что и классическая физика в больших масштабах.
В квантовой механике электрон может приобретать волнообразные свойства, иногда проявляясь как протяженный объект, а не как точечная частица. Именно это свойство растяжения, присущее конденсатам Бозе-Эйнштейна, позволяет наблюдать квантовые водовороты, необходимые для обнаружения эффекта магнитного монополя.
Квантовые технологии используют законы квантовой физики, освобожденные от классических ограничений, для получения практических приложений.
Например, создание квантового компьютера — потенциально сверхбыстрого средства решения проблем — является одной из ключевых целей квантовых технологий. Квантовый компьютер сможет очень быстро найти решение определенных проблем, используя методы, которые невозможны в логических рамках обычного компьютера.
"Законы квантовой физики позволяют сокращать пути.
Среди прочего, это основа сверхбыстрой скорости квантового компьютера », — объясняет Моттонен.
Будущие направления
В будущем исследовательские группы сосредоточатся на более глубоких исследованиях структуры синтетического магнитного монополя.
Их также интересует динамика монополей и их взаимодействия с другими синтетическими частицами. Одна интересная идея заключается в попытке создать монополь, который не связан с водоворотом так же, как монополь Дирака.
Такая структура могла бы еще более подробно описать естественный магнитный монополь.