За първи път са проведени експерименти, които наблюдават в свръхохладен газ поведението на доста странни обекти с еднополюсен магнетизъм, наречени монополи. Това е реалност, в която физиката на елементарните частици буквално се обръща с главата надолу или ако щете - заешка дупка към свят, в който частиците се държат по различен начин.

Наречен "пръстенът на Алиса" по книгите на Луис Карол за "Приключенията на Алиса в страната на чудесата", появата на този обект потвърждава десетилетна теория за това как се разпадат монополите. Те се разпадат в пръстеновиден вихър, където всички други монополи, преминаващи през неговия център, се обръщат в своите противоположни магнитни заряди.

Публикувани в Nature Communications на 29 август, тези констатации отбелязват най-новото откритие в поредица от работи през цялата кариера на професора от университета Аалто Мико Мьотонен (Mikko Möttönen) и професора от колежа Амхърст Дейвид Хол (David Hall).

"За първи път нашето сътрудничество успя да създаде реално пръстени на Алиса, което е монументално постижение", заявява Мьотонен.

"Това фундаментално изследване отваря нови врати към разбирането как тези структури и техните аналози във физиката на частиците функционират във Вселената", добавя Хол.

Дългогодишната връзка, озаглавена Monopole Collaboration, първо доказва съществуването на квантов аналог на магнитния монопол през 2014 г., изолирайки квантовите монополи през 2015 г. и в крайна сметка наблюдава разпадането на един в друг през 2017 г.

"В този квантовата област, в дълбините на облаците от газ, в Бозе-Айнщайновия кондензат, възникна структура, много подобна на частица - магнитен монопол, чието поведение и свойства се определят от някои теории на физиката на елементарните частици," разказва Мьотонен през 2015 г. "По-рано, ние се опитвахме да намерим монополи в облак от атоми с помощта на т. нар. синтетично магнитно поле. Но всички наблюдавани явления нямаха нищо общо с квантовата механика, от гледна точка на която в газа не съществуват никакви монополи. И сега, променяйки методите на провеждане на експериментите, за първи път станахме свидетели на съществуването на квантово-механичен монопол".

Кондензатът на Бозе-Айнщайн е агрегатно състояние на физична система от бозони с температура много близка до абсолютната нула. Свръхохладените атоми изпадат в квантово състояние, при което квантовите ефекти стават видими на макроскопично ниво.

Монополите остават неуловима концепция на областта на квантовата физика. Както подсказва името, монополите са единичният двойник на диполите, които носят положителен заряд на своя северен полюс и отрицателен заряд на южния. Обратно на това, монополът носи само положителен или отрицателен заряд.

Въпреки че концепцията звучи просто, реализирането на истински монопол се оказва задача, определяща кариерата на двама професори. Ето как те са го направили: манипулиран е газ от рубидиеви атоми, приведени в немагнитно състояние близо до абсолютна нула. При тези екстремни условия те успяват да създадат монопол, насочвайки нулева точка на триизмерно магнитно поле в квантовия газ.

Схематични илюстрации на (a) монопол и (b и c) пръстен на Алиса. Във всички панели зеленикавият елипсоид представлява облака Бозе-Айнщайнов концентрат с полярна фаза, а червеният домейн е феромагнитното ядро ​​на пръстена на Алис. В (a) и (b) облакът е разрязан за г > 0 и посоките на магнитното поле са визуализирани с черни стрелки. В (а) черната точка показва местоположението на нулевата плътност. В (b), затворената траектория около вихровото ядро ​​е оцветена със скаларната фаза φ според дадената цветна лента. В (c) облакът от Бозе-Айнщайнов концентрат е изрязан за z > 0. Кредит: Blinova, A., Zamora-Zamora, R., Ollikainen, T. et al. Observation of an Alice ring in a Bose–Einstein condensate. Nat Commun 14, 5100 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40710-2

Полагане на теоретичната основа

Тези квантови монополи са ефимерни по природа и се разпадат няколко милисекунди след създаването им. В рамките на тази нестабилност се оформя пръстенът на Алиса.

"Представете си монопола като за яйце, клатещо се на върха на хълм", обяснява Мьотонен. "Най-малките смущения могат да го накарат да падне. По същия начин монополите са подложени на шум, който задейства тяхното разпадане в пръстени на Алиса."

Въпреки че монополите са краткотрайни, изследователската група симулира стабилни пръстени на Алис за цели 84 милисекунди - над 20 пъти по-дълго от обичайния живот на монополите. Това кара изследователите да бъдат оптимисти, че бъдещи експерименти ще разкрият още по-странни свойства на пръстените на Алиса.

"Отдалече пръстенът на Алиса изглежда като монопол, но светът приема различна форма, когато се надникне през центъра на пръстена", казва Хол.

"От тази гледна точка всичко изглежда огледално, сякаш пръстенът е вход към свят на антиматерия вместо на материя", добавя Мьотонен.

На теория монопол, минаващ през центъра на пръстена на Алиса, ще се трансформира в антимонопол с противоположен заряд. Съответно, зарядът на пръстена на Алиса също ще се промени. Макар това явление все още  да не е наблюдавано експериментално, Мьотонен твърди, че топологичната структура на пръстените на Alice налага това поведение.

Експерименталната работа е проведена в колежа Амхърст основно от кандидата за докторска степен Алина Блинова (Alina Blinova) и Хол, докато Мьотонен и неговият екип провеждат съвпадащи симулации. По този начин двата екипа успяват да потвърдят интерпретацията на експерименталните наблюдения.

Справка: Blinova, A., Zamora-Zamora, R., Ollikainen, T. et al. Observation of an Alice ring in a Bose–Einstein condensate. Nat Commun 14, 5100 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40710-2