Tutkijat havaitsivat kvanttimonopolin tuhoutumisen

Tutkimus toi mukanaan yllätyksen: kvanttimekaaninen monopoli hajosi toiseksi magneettisen monopolin jäljitelmäksi. Työssä saavutettu uusi tieto monopolien dynamiikasta voi tulevaisuudessa auttaa löytämään vieläkin tarkemmin magneettisen monopolin kaltaisia rakenteita.

Magneettisilla monopoleilla on vain joko pohjois- tai etelänapa, mutta ei molempia kuten normaaleilla magneeteilla. Teoreettisesti magneettisia monopoleja on ennustettu olevan olemassa, mutta yhtään luotettavaa kokeellista havaintoa näistä alkeishiukkasista ei ole tehty. Niinpä tutkijat yrittävät kuumeisesti tehdä rakenteita, jotka jäljittelevät magneettisen monopolin ominaisuuksia mahdollisimman tarkasti.

– Vuonna 2014 toteutimme kokeellisesti niin kutsutun Diracin monopolin eli yli 80 vuotta vanhan teorian, jossa Paul Dirac alun perin kuvasi varattua kvanttimekaanista hiukkasta vuorovaikuttamassa magneettisen monopolin kanssa, sanoo professori David Hall Amherst Collegesta Yhdysvalloista.

– Ja vuonna 2015 teimme ihan oikeita kvanttimekaanisia monopoleja, lisää dosentti Mikko Möttönen Aalto-yliopistosta.

Yhtäältä kokeet Diracin monopolista mallintavat varatun hiukkasen liikettä magneettikentässä, jossa on monopoli. Toisaalta kvanttimonopolissa itsessään on pistemäinen rakenne, joka muistuttaa magneettisen monopolin rakennetta.

Kvanttimonopolista toiseksi alle sekunnissa

Nyt Mikko Möttösen ja David Hallin johtama monopoliyhteistyö on tuottanut havainnon siitä, miten yksi magneettisen monopolin jäljitelmistä muuttuu spontaanisti toiseksi alle sekunnissa

– Kuulostaa helpolta, mutta meidän piti itse asiassa parantaa mittalaitteistoa näitä kokeita varten, sanoo julkaisun pääkirjoittaja, väitöskirjaansa valmisteleva Tuomas Ollikainen, joka suoritti suurimman osan kokeista ja data-analyysistä.

Kokeiden alussa tutkijat jäähdyttävät erittäin harvan rubidiumatomeista muodostuvan kaasun lähelle absoluuttista nollapistettä, jolloin se muodostaa Bosen–Einsteinin kondensaatin. Seuraavaksi he kääntävät lasereiden avulla atomit ei-magneettiseen tilaan ja luovat ulkoisten magneettikenttien avulla systeemiin yksittäisen kvanttimonopolin. Tämän jälkeen he pitävät ulkoista magneettikenttää paikallaan ja odottavat, jolloin kondensaatti alkaa magnetoitua itsestään ulkoisen paikassa muuttuvan magneettikentän suuntaiseksi. Tämä ei-magneettisen tilan tuhoutuminen hävittää myös kvanttimonopolin, mutta synnyttää samalla Diracin monopolin.

– Hypin ilmaan, kun näin ensi kertaa Diracin monopolin syntyvän hajoamisesta. Tämä yhdistää hienosti aikaisemmat monopolihavaintomme, sanoo Möttönen.

Pidemmällä kuin Nobel-fysiikka

Kvanttimonopoli on niin kutsuttu topologinen pisterakenne eli yksittäinen piste paikassa, josta sen kaikki kenttäviivat osoittavat ulospäin. Sitä ei voi poistaa repimättä koko tilaa rikki. Tällaiset rakenteet liittyvät läheisesti vuoden 2016 fysiikan Nobel-palkintoon, joka myönnettiin muun muassa teoreettisista löydöistä kvanttimekaanisten vorteksien eli pyörteiden vaikutuksista aineen olomuodon muutoksissa.

– Vorteksiviivoja on tutkittu supranesteissä kokeellisesti jo vuosikymmeniä, monopoleja on toisaalta tutkittu kokeellisesti vain muutama vuosi, sanoo Hall.

Vaikka kvanttimonopolin topologia suojaa sitä, se voi tuhoutua, koska koko kondensaatin olomuoto muuttuu ei-magneettisesta magneettiseksi.

– Riippumatta siitä miten vahvan jääveistoksen teet, se valuu viemäriin, kun jää sulaa, sanoo Ollikainen.

Laskenta suoritettiin Tieteen tietotekniikan keskus CSC:n ja Aalto-yliopiston laitteilla, ja monopolit tehtiin Amherst Collegen fysiikan laboratorioissa Yhdysvalloissa.


Tutkimus perustuu työhön, jota on rahoitettu seuraavista lähteistä: the National Science Foundation (PHY-1519174), Suomen akatemian huippuyksikkörahoitus (251748 ja 284621) ja apuraha (308071), Euroopan tutkimusneuvoston apuraha 681311 (QUESS), Magnus Ehrnroothin säätiö, Education Network in Condensed Matter and Materials Physics, KAUTE-säätiön Tutkijat maailmalla -ohjelma.

Tutkimusartikkeli:
T. Ollikainen, K. Tiurev, A. Blinova, W. Lee, D. S. Hall ja M. Möttönen: Experimental realization of a Dirac monopole through the decay of an isolated monopole. Physical Review X 7, 021023 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevX.7.021023
Suora linkki artikkeliin
Tämä tutkimusartikkeli tulee mainita informaation lähteenä.

Valokuvat ladattavissa Aalto-yliopiston kuvapankista
Kuvia saa käyttää maksutta tähän tutkimukseen liittyvissä uutisissa.

Kvanttimonopolin teosta kertova video, 2015 (ei sisällä monopolien hajoamista)

Tiedotteen aiheesta kirjoitettu aiempi puhtaasti teoreettinen artikkeli



Kuvatekstit

Kuva 1. Taiteellinen näkemys kvanttimekaanisen monopolin hajoamisesta Diracin monopoliksi. Kuva: Heikka Valja. Huom. Painokelpoinen kuva ladattavissa Aalto-yliopiston kuvapankista (linkki yllä).

Kuva 2. Kokeellisesti otettu sivuttaiskuva kvanttimonopolista (vas.). Noin 0.2 sekunnin päästä kvanttimonopoli hajoaa Diracin monopoliksi (oik.). Eri värit kuvaavat atomien sisäisten magneettisten vapausasteiden suuntaa ja värin kirkkaus hiukkastiheyttä. Kuva: Tuomas Ollikainen.

Kuva 3. Näkymä laitteiston pääkoekammioon, jossa näkyvät monopolin sisältävän supranesteen muodostamisessa tarvittavat optiset komponentit ja magneettikentän luomiseen käytettävät käämit. Kuva: Marcus DeMaio/Amherst College.

Kuva 4. Havainnollistava kuva kvanttimonopolin luomisprosessista. Siniset nuolet osoittavat paikasta riippuvan ulkoisen magneettikentän suunnan, mikä on pyörähdyssymmetrinen z-akselin suhteen. Sininen ellipsi kuvaa kondensaattia. (a) Luomisprosessin alussa magneettikenttä osoittaa oleellisesti ylöspäin. (b) Sitten magneettikentän nollakohta (musta piste) tuodaan hitaasti kondensaatin sisälle. (c) Kun nollakohta on keskellä kondensaattia, magneettikentän liikuttaminen pysäytetään ja syntyneen kvanttimonopolin annetaan hajota spontaanisti. Kuva: Tuomas Ollikainen.

Kuva 5. Aalto-yliopistossa työskentelevät monopoliyhteistyön jäsenet vasemmalta oikealle: Konstantin Tiurev, Mikko Möttönen ja Tuomas Ollikainen. Kuva: Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto.

Kuva 6. Tuomas Ollikainen. Kuva: Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto.

Kuva 7. Mikko Möttönen. Kuva: Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto.