'Alice ringer' set i et Bose-Einstein-kondensat – Physics World

'Alice ringer' set i et Bose-Einstein-kondensat – Physics World

Tidsstempel: 20. september 2023 kl. 11

Alice ring
Spejlbillede: kunstnerisk illustration af en Alice-ring, som forskere netop har observeret for første gang i naturen. (Med høflighed: Heikka Valja/Aalto University)

I Lewis Carrolls roman, Gennem Look-Glass, møder Alice en spejllignende portal til en verden, hvor virkelighedens regler er omvendt. I 1980'erne inspirerede historien navnet på en ringlignende hvirvel, som forudsiges at dukke op, når monopoler forfalder. Denne "Alice-ring" vender derefter ladningerne fra andre monopoler, der passerer gennem den.

Nu er disse Alice-ringe for første gang blevet observeret i laboratoriet af forskere i USA og Finland. Deres eksperiment involverer ultrakolde atomer, og det kunne kaste lys over grundlæggende processer i partikelfysik og kosmologi.

Holdets opdagelse trækker fra to forskningslinjer, der begge opstod for omkring 35 år siden. Den ene er begrebet "kosmiske strenge", som beskriver 1D-defekter i rum-tidens struktur. Selvom det er hypotetisk, ville eksistensen af ​​sådanne strenge have dybtgående konsekvenser for kosmologien.

"Ideen med en kosmisk streng er, at hvis du skulle rejse rundt om den, ville vende dig fra stof til antistof (eller omvendt)," forklarer David Hall på Amherst College, som stod i spidsen for den eksperimentelle del af projektet med Alina Blinova som sidste del af hendes ph.d.-afhandling. "Hvis den skulle eksistere, ville sådan en kosmisk streng være kendt som en 'Alice-streng'."

Enkelte ladepunkter

Den anden forskningslinje involverer monopoler, som er enestående ladningspunkter i rummet. Både monopoler og strenge kunne bære bevarede topologiske ladninger, som kunne være magnetiske, elektriske eller kvarkfarveladninger.

"I 1980'erne indså vi, at sådan en monopol kunne blive deformeret på en mærkelig måde," forklarer Hall. "Langt fra dens centrum ligner den stadig en monopol, men hvis du kom tæt på, ville du ikke se punktet singularitet, men snarere en Alice-ring, som er en løkke af Alice-streng, der er lukket om sig selv."

En særlig slående egenskab ved en Alice-ring er, at hvis en anden monopol på en eller anden måde formåede at passere gennem sin midte, ville monopolen forvandle sig fra en partikel til en antipartikel. Det betyder, at ved at se gennem ringen, ligesom Alice og hendes udseende, ser vi i det væsentlige et spejlvendt univers, hvor antistof dominerer over stof.

I 2015 kom et gennembrud, da et hold af Halls samarbejdspartnere skabte en monopol i et Bose-Einstein-kondensat. Dette var en gas af rubidiumatomer afkølet tæt på det absolutte nulpunkt, hvor kvanteegenskaber kan observeres på makroskopisk skala.

Præcisionskontrol

"Vores teknik var afhængig af præcisionskontrol af magnetiske felter for at skabe den oprindelige monopol," forklarer Hall.

I deres seneste undersøgelse kombinerede Hall og Blinovas team denne eksperimentelle tilgang med simuleringsmetoder udviklet af Mikko Mötönen ved Aalto Universitet og kolleger. Disse kombinerede teknikker gjorde det muligt for forskerne at observere, hvad der sker, når monopoler efterlades til at udvikle sig i et Bose-Einstein-kondensat.

"Det nyeste aspekt af vores forskning er evnen til at skabe monopoler konsekvent nok til, at vi kan observere deres tidsudvikling," forklarer Hall. "Vi skal være i stand til at producere en konsistent begyndelsestilstand og derefter vente forskellige tidsintervaller, før vi foretager en måling for at se, hvordan systemet udvikler sig."

Da monopoler i sagens natur er kortvarige, vil selv den mindste forstyrrelse slå dem ud af deres stabile tilstande, hvilket får dem til at henfalde til Alice-ringe. Gennem deres tilgang kunne Hall og kolleger se denne proces udvikle sig. "Konkret var vi i stand til direkte at observere adskillige træk ved Alice-ringen, efterhånden som den indledende monopol udvikler sig," siger han. "Den ene er, at monopolpunktssingulariteten forsvinder, samtidig med at regionen 'langt' fra monopolen bevarer sin monopolkarakter."

Sporing af Alice rings

Gennem deres analyse opdagede forskerne, at denne singularitet er erstattet med en hvirvel med de samme kvanteegenskaber forudsagt i Möttönens simuleringer. Selvom deres eksperimenter kun kunne spore Alice-ringene direkte i omkring 10 ms, fortsatte de omkring 10 gange længere i de simulerede Bose-Einstein-kondensat.

Holdets resultater kan have fascinerende implikationer for vores forståelse af kvantevæsker: tyder på, at under de rigtige forhold kan strukturer, der omdanner stof til antistof, opstå spontant som reaktion på deres omgivelser.

"Jeg finder det dybt interessant, at feltteorierne, der har til formål at pirre noget mening ud af kosmos, ofte kan undersøges i en sammenhæng så lille som en kondensatdråbe mindre i diameter end bredden af ​​et hår," siger Hall.

Faktisk er Hall overbevist om, at deres eksperiment kan tilbyde en værdifuld platform til at udforske universets indre funktioner. "Jeg håber, at de tematiske ligheder en dag også kan arbejde i den anden retning, hvilket betyder, at det, vi finder i laboratoriet, kan være relevant for at forstå, hvordan fundamentale processer fungerer i universet."

Forskningen er beskrevet i Nature Communications.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden