Квантовомеханические монополи экспериментально определены

Основываясь на собственном предыдущем исследовании, проф. Дэвид С. Холл (David S. Hall) из Амхерст-колледжа и международная группа физиков впервые экспериментально определили точечный монополь. Открытие дает ученым дальнейшее понимание неуловимого монопольного магнита, элементарной частицы, как полагают исследователи, существующей, но еще не обнаруженной в природе.

Исследование является замечательным шагом вперед в квантовой теории. Лучшее понимание структуры монополей и других топологических сущностей является очень ценным для ученых, в частности потому, что они появляются в моделях, описывающих первые моменты существования Вселенной, и влияют на свойства различных материалов, таких как металлы.

«Это был очень интересный эксперимент, - говорит бывший научный сотрудник Амхерста Майкл Рэй (Michael Ray), теперь приглашенный доцент в Union College и ведущий автор статьи. - Эти виды дефектов относятся к теориям, которые описывают раннюю Вселенную, поэтому наблюдения этого монополя дает нам возможность заглянуть в те моменты, но в гораздо более доступной шкале».

Холл и Рэй манипулировали газом из атомов рубидия, подготовленных в немагнитном состоянии вблизи абсолютного нуля температуры в атомном холодильнике в лаборатории Холла в Merrill Science Center в Амхерсте. В этих экстремальных условиях они смогли создать монополи в квантовом поле ультрахолодных газов.

«В этом немагнитном состоянии структура была создана в поле, описывающем газ, похожий на частицы магнитных монополей, как описано в теориях великого объединения физики элементарных частиц, - сказал научный сотрудник Университета Аалто (Финляндия) Микко Меттонен (Mikko Möttönen), сотрудник из команды, который возглавлял теоретический анализ монополя. - Раньше мы использовали газ, чтобы обнаружить монополь в так называемом синтетическом магнитном поле, но в квантовом поле, описывающем сам газ, не было монополей. Теперь мы, наконец, стали свидетелями квантовомеханического монополя».

Обычно, магнитные полюса встречаются парами: каждый магнит имеет как северный, так и южный полюс. Однако, как и предполагает название, магнитный монополь является магнитной частицей, обладающей только одним, изолированным полюсом – северным без южного или наоборот. Несмотря на многочисленные экспериментальные поиски, начиная от лунных образцов до древних окаменелых ископаемых, существование в природе магнитных монополей пока не подтверждено.

В данном эксперименте газ находился в немагнитном состоянии, и никакие квантовые вихри или монополи не создавались в синтетическом магнитном поле. Тем не менее, квантовомеханический магнитный порядок преобладал в самом образце, и команда была в состоянии манипулировать им с помощью управления внешним магнитным полем для создания квантовомеханических монополей.

«Основная экспериментальная проблема, с которой мы столкнулись, заключалась в подготовке ультрахолодного газа при высокочувствительных условиях, в которых флуктуации поля, вызванные движением металлических предметов или изменениями мощности линии электропередачи, могут сделать наблюдение монополей трудным», - сказал проф. Холл.

Результат команды является еще одним доказательством, что квантовомеханические монопольные структуры существуют в природе, даже если сами магнитные монополи остаются ненаблюдаемыми.

Художественная иллюстрация квантовомеханического монополя