Ensimmäinen havainto kvanttimekaanisesta monopolista tehty

Tutkimustulos kytkeytyy monopolimagneetin tärkeisiin ominaisuuksiin, ja se julkaistiin juuri Science-lehdessä.

Tutkijat tekivät kokeen, jossa rubidium-atomeista muodostunutta kaasua muokattiin magneetittomassa tilassa lähes absoluuttisessa nollapisteessä. Nämä olosuhteet mahdollistivat yksittäisen monopolin luomisen kaasua kuvaavaan kvanttimekaaniseen kenttään.

”Magneetittomassa tilassa kaasun kenttään syntyi samankaltainen rakenne kuin miltä magneettinen monopolihiukkanen näyttää hiukkasfysiikan teorioissa.  Aikaisemmin olemme saaneet aikaan monopolin synteettiseen magneettikenttään, mutta monopolia ei ollut kaasua kuvaavassa kvanttikentässä. Nyt vihdoinkin näimme kvanttimekaanisen monopolin!” iloitsee dosentti Mikko Möttönen Aalto-yliopistosta.

”Magneetittomassa tilassa kvanttikenttään ei syntynyt virtauspyörrettä eikä synteettistä magneettisen monopolin kenttää. Näytteessä vallitsi kuitenkin magneettinen järjestys, jota saatoimme ohjata ulkoisen magneettikentän muutoksella”, jatkaa Möttönen.

”Jouduimme pitämään ulkoista magneettikenttää vakiona murto-osien tarkkuudella suhteessa maapallon magneettikenttään”, lisää professori David Hall Amherst Collegesta. ”Kokeellisesti suurin haasteemme oli muokata hallitusti tämän äärimmäisen kylmän kaasun tilaa. Jopa metallisten tavaroiden siirtely tai pienet häiriöt sähköverkossa voivat tehdä monopolien luonnista kiusallisen vaikeaa”, Hall jatkaa.

Tulos on suuri askel kvanttitutkimuksen etenemiselle. Monopolien ja muiden topologisten rakenteiden ymmärtäminen on tärkeää, koska niitä esiintyy varhaista maailmankaikkeutta kuvaavissa malleissa ja ne vaikuttavat useiden materiaalien kuten metallien ominaisuuksiin.

Magneettisen monopolihiukkasen löytymiseen on vielä matkaa. Nyt saavutettu tulos osoittaa, että kvanttimekaaninen monopolirakenne voi esiintyä luonnossa ja siksi vahvistaa magneettisen monopolin olemassaolon mahdollisuutta.

Science-artikkeli: M. W. Ray, E. Ruokokoski, K. Tiurev, M. Möttönen, and D. S. Hall
”Observation of isolated monopoles in a quantum field”
Linkki: http://doi.org/10.1126/science.1258289

Katso tutkijaryhmän aikaisempi työ monopolista synteettisessä klassisessa kentässä:
“Observation of Dirac Monopoles in a Synthetic Magnetic Field”, Nature 505, 657 (2014).

Lisätietoja

Mikko Möttönen, dosentti, tekniikan tohtori
Aalto-yliopisto
Teknillisen fysiikan laitos, QCD Labs
mikko.mottonen*at*aalto.fi
p. +358 50 594 0950

http://physics.aalto.fi/qcd/

Mikko Möttönen toimi työn teoreettisen ja laskennallisen osan johtajana. Teoreettiset ideat ja kokeiden tarkka mallinnus ja analyysi olivat erittäin tärkeitä monopolin syntetisoinnin onnistumiselle. Mallinnus toteutettiin CSC:n ja Aalto-yliopiston (Aalto Science-IT project) tietokoneilla.

David S. Hall, professori
Amherst College
Department of Physics
dshall@amherst.edu
p. +1 413 542 2072

http://www3.amherst.edu/~halllab/

David Hall toimi työn kokeellisen osan johtajana. Kvanttimekaaniset monopolit luotiin prof. Hallin laboratoriossa Amherst Collegessa Yhdysvalloissa.

Rahoitus: Tämä materiaali perustuu työhön, jota tukee National Science Foundation, Suomen Akatemia huippuyksiköllään Laskennallinen nanotiede, Laskennallisten tieteiden tohtoriohjelma (FICS) ja Magnus Ehrnroothin säätiö.