Forskare vid Amherst College och Aalto University har skapat, för första gången en tredimensionell skyrmion i en kvantgas. Skyrmion förutspåddes teoretiskt för över 40 år sedan, men först nu har det observerats experimentellt.

I en extremt gles och kall kvantgas, fysikerna har skapat knutar gjorda av de magnetiska stunderna, eller snurrar, av de ingående atomerna. Knutarna uppvisar många av kännetecknen för kulblixten, som vissa forskare tror består av trassliga strömmar av elektriska strömmar. Ihållande sådana knutar kan vara orsaken till att bollen blixtar, en boll av plasma, lever förvånansvärt länge i jämförelse med ett blixtnedslag. De nya resultaten kan inspirera till nya sätt att hålla plasma intakt i en stabil boll i fusionsreaktorer.

'Det är anmärkningsvärt att vi kunde skapa den syntetiska elektromagnetiska knuten, det är, quantum ball lightning, i huvudsak med bara två motcirkulerande elektriska strömmar. Således, det kan vara möjligt att en naturlig kulbelysning kan uppstå vid ett normalt blixtnedslag, säger Dr Mikko Möttönen, ledare för den teoretiska insatsen vid Aalto University.

Möttönen minns också att han bevittnat en bollblixt som kort blänger i hans morföräldrars hus. Observationer av kulblixten har rapporterats genom historien, men fysiska bevis är sällsynta.

Kvantgasens dynamik matchar den hos en laddad partikel som svarar på de elektromagnetiska fälten hos en kulblixt.

'Kvantgasen kyls ner till en mycket låg temperatur där den bildar ett Bose-Einstein-kondensat:alla atomer i gasen hamnar i lägsta energinivå. Staten beter sig inte som en vanlig gas längre utan som en enda jätteatom, 'förklarar professor David Hall, ledare för den experimentella insatsen vid Amherst College.

Skyrmion skapas först genom att polarisera spinnet för varje atom för att peka uppåt längs ett applicerat naturligt magnetfält. Sedan, det applicerade fältet ändras plötsligt på ett sådant sätt att en punkt där fältet försvinner uppstår i mitten av kondensatet. Följaktligen, atomernas snurr börjar rotera i den nya riktningen för det applicerade fältet på sina respektive platser. Eftersom magnetfältet pekar i alla möjliga riktningar nära fältet noll, snurren vind till en knut.

Skyrmions knutna struktur består av länkade öglor, vid var och en av dessa pekar alla snurr i en viss fast riktning. Knuten kan lossas eller flyttas, men inte bunden.

'Det som gör detta till en skyrmion snarare än en kvantknut är att inte bara snurrningen snurrar utan kvantfasen i kondensatvindarna upprepade gånger, säger Hall.

Om spinnets riktning ändras i rymden, kondensatets hastighet reagerar precis som skulle hända för en laddad partikel i ett magnetfält. Den knutna spinnstrukturen ger således upphov till ett knuten konstgjort magnetfält som exakt matchar magnetfältet i en modell av kulblixten.

'Mer forskning behövs för att veta om det också är möjligt att skapa en riktig bollblixten med en sådan metod. Ytterligare studier kan leda till att man hittar en lösning för att hålla ihop plasma effektivt och möjliggöra mer stabila fusionsreaktorer än vi har nu, 'Förklarar Möttönen.