Visión artística de la desintegración de un monopolo de mecánica cuántica en un monopolo de Dirac. Crédito:Heikka Valja
Científicos del Amherst College (EE. UU.) Y la Universidad Aalto (Finlandia) han realizado las primeras observaciones experimentales de la dinámica de monopolos aislados en materia cuántica.
El nuevo estudio proporcionó una sorpresa:el monopolo cuántico se desintegra en otro análogo del monopolo magnético. La comprensión fundamental obtenida de la dinámica de los monopolos puede ayudar en el futuro a construir análogos aún más cercanos de los monopolos magnéticos.
A diferencia de los imanes habituales, Los monopolos magnéticos son partículas elementales que tienen solo un polo magnético sur o norte, pero no ambos. Teóricamente se ha predicho que existen, pero no se han reportado observaciones experimentales convincentes. Por tanto, los físicos están ocupados buscando objetos analógicos.
- En 2014, realizamos experimentalmente un monopolo de Dirac, es decir, La teoría de Paul Dirac de 80 años donde originalmente consideró partículas cuánticas cargadas interactuando con un monopolo magnético, dice el profesor David Hall de Amherst College.
- Y en 2015, Creamos monopolos cuánticos reales, agrega el Dr. Mikko Möttönen de la Universidad de Aalto.
Mientras que el experimento del monopolo de Dirac simula el movimiento de una partícula cargada en las proximidades de un campo magnético monopolar, el monopolo cuántico tiene una estructura puntual en su propio campo que se asemeja a la de la propia partícula monopolo magnética.
Vista hacia la cámara principal de experimentación del aparato, mostrando las bobinas del campo magnético y los componentes ópticos necesarios para crear el superfluido que contiene el monopolo cuántico. Consulte las instrucciones anteriores para acceder a la imagen de resolución completa. Leyenda de la figura 3. Crédito:Marcus DeMaio / Amherst College
De un monopolo cuántico a otro en menos de un segundo
Ahora, la colaboración monopolo liderada por David Hall y Mikko Möttönen ha producido una observación de cómo uno de estos análogos monopolos magnéticos únicos se convierte espontáneamente en otro en menos de un segundo.
- Suena fácil, pero en realidad tuvimos que mejorar el aparato para que sucediera. dice el Sr. Tuomas Ollikainen, quien es el primer autor del nuevo trabajo.
Los científicos comienzan con un gas extremadamente diluido de átomos de rubidio enfriado cerca del cero absoluto, a qué temperatura forma un condensado de Bose-Einstein. Después, preparan el sistema en un estado no magnetizado y elevan un punto cero del campo magnético externo en el condensado creando así un monopolo cuántico aislado. Luego mantienen inmóvil el punto cero y esperan a que el sistema se magnetice gradualmente a lo largo del campo magnético que varía espacialmente. La destrucción resultante del monopolo cuántico da lugar a un monopolo de Dirac.
- Estaba saltando en el aire cuando vi por primera vez que sacamos un monopolo de Dirac de la descomposición. Este descubrimiento une muy bien los monopolos que hemos estado produciendo a lo largo de los años, dice el Dr. Möttönen.
Imagen lateral experimental del monopolo cuántico de la izquierda. Después de 0,2 segundos, el monopolo cuántico se ha descompuesto en el monopolo de Dirac que se muestra a la derecha. Los diferentes colores representan la dirección del estado magnético interno de los átomos y el brillo corresponde a la densidad de partículas. Consulte las instrucciones a continuación para acceder a la imagen de resolución completa. Leyenda de la figura 2. Crédito:Tuomas Ollikainen
Más allá de la física del Nobel
El monopolo cuántico es un llamado defecto puntual topológico, es decir, un solo punto en el espacio rodeado por una estructura en el estado no magnetizado del condensado que no se puede eliminar mediante una remodelación continua. Tales estructuras están relacionadas con el Premio Nobel de Física de 2016, que fue otorgado en parte por los descubrimientos de transiciones de fase topológica que involucran remolinos cuánticos. o vórtices.
- Las líneas de vórtice se han estudiado experimentalmente en superfluidos durante décadas; monopolos, por otra parte, se han estudiado experimentalmente durante unos pocos años, dice el profesor Hall.
Aunque su topología protege el monopolo cuántico, puede decaer ya que toda la fase de la materia cambia de no magnetizada a magnetizada.
- No importa lo robusta que sea la escultura de hielo que hagas, todo fluye por el desagüe cuando el hielo se derrite, dice el Sr. Ollikainen.
- Por primera vez, observamos la aparición espontánea de monopolos de Dirac y las líneas de vórtice relacionadas, dice el Dr. Möttönen.
