Aalto-yliopiston ja Amherst Collegen tutkijat ovat havainneet ilmiön, jossa kvanttimekaaninen monopoli hajoaa rengasmaiseksi pyörteeksi.
"Tämä oli ensimmäinen kerta, kun pystyimme luomaan näitä niin kutsuttuja Liisan renkaita luonnossa. Se on valtava saavutus", professori Mikko Möttönen Aalto-yliopistosta sanoo.
Kuten nimestä voi päätellä, monopolit ovat yksinäinen vastine dipoleille eli kahden navan muodostamalle parille, jonka pohjoisnavalla on positiivinen varaus ja etelänavalla negatiivinen varaus. Monopoli sen sijaan kantaa vain joko positiivista tai negatiivista varausta.
Tutkijat loivat kvanttimonopolin muokkaamalla rubidium-atomeista muodostunutta kaasua magneetittomassa tilassa ja lähellä absoluuttista nollapistettä. Vaadittiin tällaiset ääriolosuhteet, jotta tutkijat pystyivät luomaan ulkoisen magneettikentän avulla pistemäisen monopolin. Kvanttimonopolit ovat luonteeltaan erittäin lyhytikäisiä ja hajoavat pienimmästäkin häiriöstä vain muutaman millisekunnin kuluttua syntymisestään. Tässä epävakaudessa ne hajoavat rengasmaiseksi pyörteeksi eli Liisan renkaaksi, joka tunnetaan englanniksi nimellä ‘Alice ring’.
Professori Mikko MöttönenTämä oli ensimmäinen kerta, kun pystyimme luomaan näitä niin kutsuttuja Liisan renkaita luonnossa. Se on valtava saavutus.
Aiemmin vain teoriassa tunnettu ilmiö on saanut nimensä Lewis Carrollin klassikkotarinoista, joissa Liisa seikkailee ensin ihmemaassa ja sitten peilimaailmassa. Renkaan ominaisuudet perustelevat omintakeista nimeä: kun Liisan renkaan keskipisteen läpi kulkee muita monopoleja, niiden varaukset muuttuvat päinvastaisiksi.
"Maailma saa toisenlaisen muodon, kun kurkistaa renkaan keskipisteen läpi", professori David Hall Amherst Collegesta kuvaa.
"Tästä perspektiivistä kaikki näyttää peilautuvan, ikään kuin rengas olisi portti maailmaan, jossa on aineen sijaan antimateriaa", Möttönen täydentää.
Peilautumisilmiötä ei ole vielä havaittu kokeissa, sillä vasta julkaistussa, osin kokeellisessa ja osin simulaatioihin perustuvassa tutkimuksessa onnistuttiin vasta ensimmäistä kertaa tarkastelemaan monopolin hajoamista Liisan renkaaksi. Renkaiden rakenne kuitenkin edellyttää myös peilautumisilmiön olemassaolon, Möttönen toteaa
"Tämä perustutkimus avaa uusia ovia sen ymmärtämiseen, miten nämä rakenteet toimivat maailmankaikkeudessa", Hall sanoo.
Tulokset julkaistiin arvostetussa Nature Communications -lehdessä 29.8.
Aalto-yliopistossa suoritetut simulaatiot mahdollistettiin CSC – Tieteen tietotekniikan keskuksen sekä Suomen Akatemian kvanttiteknologian huippuyksikön kautta saadulla tuella, ja amerikkalaiset kokeet National Science Foundationin taloudellisella tuella.
The national Quantum Technology Finland (QTF) Centre of Excellence brings together scientific and technological excellence and cutting-edge research infrastructures to harness quantum phenomena in solid-state-based quantum devices and applications.
Aalto-yliopiston, Helsingin yliopiston ja VTT:n InstituteQ-yhteistyö kokoaa kansallisen kvanttiteknologian tutkimuksen, koulutuksen ja yrityskentän.
We have a major effort on experimental low-temperature physics, but we also carry out computational and theoretical work down to fundamental quantum mechanics.
