Forskare vid Amherst College (USA) och Aalto University (Finland) har gjort de första experimentella observationerna av dynamiken i isolerade monopoler i kvantämne.

Den nya studien gav en överraskning:kvantmonopolen förfaller till en annan analog av den magnetiska monopolen. Den erhållna grundläggande förståelsen för monopoldynamik kan i framtiden hjälpa till att bygga ännu närmare analoger av de magnetiska monopolerna.

Till skillnad från vanliga magneter, magnetiska monopoler är elementära partiklar som bara har en sydlig eller en nordlig magnetisk pol, men inte båda. De har teoretiskt förutsetts existera, men inga övertygande experimentella observationer har rapporterats. Således är fysikerna upptagna med att leta efter analoga objekt.

- Under 2014, vi insåg experimentellt en Dirac -monopol, det är, Paul Diracs 80-åriga teori där han ursprungligen ansåg laddade kvantpartiklar som interagerar med en magnetisk monopol, säger professor David Hall från Amherst College.

- Och 2015, vi skapade riktiga kvantmonopoler, tillägger Dr Mikko Möttönen från Aalto University.

Medan Dirac -monopolförsöket simulerar rörelsen av en laddad partikel i närheten av ett monopolärt magnetfält, kvantmonopolen har en punktliknande struktur i sitt eget fält som liknar den hos den magnetiska monopolpartikeln själv.

Från en kvantmonopol till en annan på mindre än en sekund

Nu har monopolsamarbetet som leds av David Hall och Mikko Möttönen producerat en observation av hur en av dessa unika magnetiska monopolanaloger spontant förvandlas till en annan på mindre än en sekund.

- Låter enkelt men vi var faktiskt tvungna att förbättra apparaten för att få det att hända, säger Tuomas Ollikainen som är den första författaren till det nya verket.

Forskarna börjar med en extremt utspädd gas av rubidiumatomer nedkyld nära absolut noll, vid vilken temperatur det bildar ett Bose-Einstein-kondensat. Senare, de förbereder systemet i ett icke-magnetiserat tillstånd och rampar en extern magnetfältnollpunkt in i kondensatet och skapar därmed en isolerad kvantmonopol. Sedan håller de nollpunkten stilla och väntar på att systemet gradvis magnetiseras längs det rumsligt varierande magnetfältet. Den resulterande förstörelsen av kvantmonopolen föder en Dirac -monopol.

- Jag hoppade i luften när jag för första gången såg att vi får en Dirac -monopol från förfallet. Denna upptäckt knyter fint ihop de monopoler vi har producerat genom åren, säger doktor Möttönen.

Utöver Nobels fysik

Kvantmonopolen är en så kallad topologisk punktdefekt, det är, en enda punkt i rymden omgiven av en struktur i kondensatets icke-magnetiserade tillstånd som inte kan avlägsnas genom kontinuerlig omformning. Sådana strukturer är relaterade till Nobelpriset i fysik 2016 som delvis delades ut för upptäckter av topologiska fasövergångar som involverar kvantvirvlar, eller virvlar.

- Vortexlinjer har studerats experimentellt i supervätskor i decennier; monopoler, å andra sidan, har studerats experimentellt i bara några år, säger professor Hall.

Även om dess topologi skyddar kvantmonopolen, den kan förfalla eftersom hela fasen av materia ändras från icke-magnetiserad till magnetiserad.

- Oavsett hur robust en isskulptur du gör, allt rinner ner i avloppet när isen smälter, säger herr Ollikainen.

- För första gången, vi observerade spontant Dirac -monopoler och de relaterade virvellinjerna, säger doktor Möttönen.