Ensimmäinen havainto kvanttimekaanisesta monopolista tehty

Aalto-yliopiston tutkijat havaitsivat yhdysvaltalaisten kollegoidensa kanssa ensimmäisenä maailmassa pistemäisen monopolin kvanttikentässä.
Kuva kokeellisesti luodusta Bosen-Einsteinin kondensaatista, jossa on monopoli (vasemmalla) ja vastaava teoreettinen ennustus (oikealla). Kirkkaampi väri tarkoittaa suurempaa hiukkastiheyttä ja värin eri sävyt kuvaavat atomien sisäistä spin-vapausastetta. Monopoli sijaitsee keskellä kondensaattia.

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
[email protected]
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.

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lisää tästä aiheesta

Aalto-yliopiston vesitutkimus
Tiedotteet, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Suomalaisyrityksistä maailman vesivastuullisimmat – uusi tiekartta näyttää suunnan

Aalto-yliopiston, Luonnonvarakeskuksen ja VTT:n maa- ja metsätalousministeriön rahoituksella laatiman tiekartan tavoitteena on, että suomalaisyritykset ovat vuonna 2030 vesivastuullisimpia maailmassa.
Illustration on beige background: two students painting a big yellow lightbulb.
Tiedotteet, Opinnot Julkaistu:

Hae Aalto Thesis -projektiin: HSL - Ohjelmistotuotanto 2.0!

Aalto Thesis -ohjelman projektihaku maistereille on auki. Lue lisää HSL:n projektista ja hae mukaan!
Tiina Tuurnala, Alumna of the Year 2019, School of Engineering
Nimitykset, Tiedotteet Julkaistu:

Tiina Tuurnala Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulun Vuoden alumni 2019

”Nykyinen tehtäväni on mahtava näköalapaikka, jossa voin yhdessä muiden toimijoiden kanssa tehdä työtä kohti nollapäästöistä merenkulkua.”
Materiaali pohjautuu keväällä järjestettyyn kiiteltyyn luentosarjaan. Tekijät toivovat mukaan erityisesti nuoria, sillä heidän arjessaan sosiaalinen media on tiiveimmin mukana ja neljännes nuorista on joutunut kiusatuksi somessa.
Tiedotteet Julkaistu:

Ilmainen opiskelupaketti someilmiöistä: Mitä jokaisen tulisi tietää verkkohäiriköinnistä, someriippuvuudesta ja valeuutisista?

Materiaali pohjautuu kiiteltyyn luentosarjaan. Tekijät toivovat mukaan erityisesti nuoria, sillä heidän arjessaan sosiaalinen media on tiiveimmin mukana ja neljännes nuorista on joutunut kiusatuksi somessa.