Aalto-yliopiston ja Amherst Collegen tutkijat ovat tehneet maailman ensimmäiset kokeelliset havainnot yksittäisen monopolin dynamiikasta kvanttiaineessa, kertoo keskiviikkona julkaistu tutkimus.

Tutkimus toi mukanaan yllätyksen: kvanttimekaaninen monopoli hajosi toiseksi magneettisen monopolin jäljitelmäksi.

Magneettisilla monopoleilla on vain joko pohjois- tai etelänapa, mutta ei molempia kuten normaaleilla magneeteilla. Teoreettisesti magneettisia monopoleja on ennustettu olevan olemassa, mutta yhtään luotettavaa kokeellista havaintoa näistä alkeishiukkasista ei ole tehty. Niinpä tutkijat yrittävät tehdä rakenteita, jotka jäljittelevät magneettisen monopolin ominaisuuksia mahdollisimman tarkasti.

”Vuonna 2014 toteutimme kokeellisesti niin kutsutun Diracin monopolin eli Paul Diracin 80 vuotta vanhan teorian varatuista kvanttimekaanisista hiukkasista vuorovaikuttamassa magneettisen monopolin kanssa”, sanoo tiedotteessa professori David Hall Amherst Collegesta.

”Ja vuonna 2015 teimme ihan oikeita kvanttimekaanisia monopoleja”, lisää dosentti Mikko Möttönen Aalto-yliopistosta.

Yhtäältä kokeet Diracin monopolista mallintavat varatun hiukkasen liikettä magneettikentässä, jossa on monopoli. Toisaalta kvanttimonopolissa itsessään on pistemäinen rakenne, joka muistuttaa magneettisen monopolin rakennetta.

Nyt Möttösen ja Hallin johtama monopoliyhteistyö on tuottanut havainnon siitä, miten yksi magneettisen monopolin jäljitelmistä muuttuu spontaanisti toiseksi alle sekunnissa.

Kokeiden alussa tutkijat jäähdyttävät erittäin harvan rubidiumatomeista muodostuvan kaasun lähelle absoluuttista nollapistettä, jolloin se muodostaa Bosen–Einsteinin kondensaatin.

Seuraavaksi he kääntävät lasereiden avulla atomit ei-magneettiseen tilaan ja luovat ulkoisten magneettikenttien avulla systeemiin yksittäisen kvanttimonopolin. Tämän jälkeen he pitävät ulkoista magneettikenttää paikallaan ja odottavat, jolloin kondensaatti alkaa magnetoitua itsestään ulkoisen paikassa muuttuvan magneettikentän suuntaiseksi. Tämä ei-magneettisen tilan tuhoutuminen hävittää kvanttimonopolin, mutta synnyttää samalla Diracin monopolin.

”Hypin ilmaan, kun näin ensi kertaa Diracin monopolin syntyvän hajoamisesta. Tämä yhdistää hienosti aikaisemmat monopolihavaintomme”, sanoo Möttönen.

Liittyy Nobelin palkintoon

Kvanttimonopoli on niin kutsuttu topologinen pisterakenne eli yksittäinen piste paikassa, josta sen kaikki kenttäviivat osoittavat ulospäin. Sitä ei voi poistaa repimättä koko tilaa rikki.

Tällaiset rakenteet liittyvät läheisesti vuoden 2016 fysiikan Nobel-palkintoon, joka myönnettiin muun muassa teoreettisista löydöistä kvanttimekaanisten vorteksien eli pyörteiden vaikutuksista aineen olomuodon muutoksissa.

Vaikka kvanttimonopolin topologia suojaa sitä, se voi tuhoutua, koska koko kondensaatin olomuoto muuttuu ei-magneettisesta magneettiseksi.

Työssä saavutettu uusi tieto monopolien dynamiikasta voi tulevaisuudessa auttaa löytämään vieläkin tarkemmin magneettisen monopolin kaltaisia rakenteita.

Laskenta suoritettiin Tieteen tietotekniikan keskus CSC:n ja Aalto-yliopiston laitteilla, ja monopolit tehtiin Amherst Collegen fysiikan laboratorioissa Yhdysvalloissa.

Tutkimus on julkaistu Physical Review X -julkaisussa.