„Alice gyűrűk” a Bose–Einstein kondenzátumban – Fizika világa

„Alice gyűrűk” a Bose–Einstein kondenzátumban – Fizika világa

Időbélyeg: 20. szeptember 2023. 11:36

Alice gyűrű
Tükörkép: egy Alice-gyűrű művészi illusztrációja, amelyet a kutatók most figyeltek meg először a természetben. (Jóvolt: Heikka Valja/Aalto Egyetem)

Lewis Carroll regényében A nézőüvegen keresztül, Alice tükörszerű portállal találkozik egy olyan világba, ahol a valóság szabályai megfordulnak. Az 1980-as években a történet ihlette egy gyűrűszerű örvény nevét, amely az előrejelzések szerint a monopólusok lebomlásával fog megjelenni. Ez az „Alice-gyűrű” aztán megfordítja a rajta áthaladó többi monopólus töltéseit.

Most először figyelték meg ezeket az Alice-gyűrűket a laboratóriumban amerikai és finn kutatók. Kísérletük ultrahideg atomokat érint, és rávilágíthat a részecskefizika és a kozmológia alapvető folyamataira.

A csapat felfedezése két kutatási irányból merít, mindkettő körülbelül 35 évvel ezelőtt jelent meg. Az egyik a „kozmikus húrok” fogalma, amelyek a tér-idő szövetének 1D-s hibáit írják le. Bár hipotetikus, az ilyen húrok létezése mélyreható következményekkel járna a kozmológiára nézve.

"A kozmikus húr gondolata az, hogy ha körbeutaznád, az anyagból antianyaggá változtatna (vagy fordítva)" - magyarázza. David Hall az Amherst College-ban, aki együtt vezette a projekt kísérleti részét Alina Blinova PhD disszertációjának záró részeként. „Ha létezne, egy ilyen kozmikus húr „Alice húr” néven lenne ismert.”

Egyedi töltési pontok

A kutatás második vonala a monopólusokat foglalja magában, amelyek szinguláris töltési pontok a térben. Mind a monopólusok, mind a húrok hordozhatnak konzervált topológiai töltéseket, amelyek lehetnek mágneses, elektromos vagy kvark színű töltések.

„Az 1980-as években rájöttünk, hogy egy ilyen monopólus furcsa módon deformálódhat” – magyarázza Hall. "Messze a középpontjától még mindig úgy néz ki, mint egy monopólus, de ha közel kerülne, nem a pont szingularitást látná, hanem inkább egy Alice-gyűrűt, amely egy Alice-húr hurokja, amely önmagában záródik."

Az Alice-gyűrű egyik különösen szembetűnő tulajdonsága, hogy ha egy másik monopólus valahogy átjutna a közepén, a monopólus részecskebõl antirészecské alakulna át. Ez azt jelenti, hogy ha átnézünk a gyűrűn, hasonlóan Alice-hez és az ő szemüvegéhez, lényegében egy tükrözött univerzumot látunk, ahol az antianyag dominál az anyag felett.

2015-ben áttörés következett be, amikor Hall munkatársaiból álló csapat monopólust hozott létre a Bose–Einstein kondenzátumban. Ez az abszolút nulla közelébe hűtött rubídium atomokból álló gáz volt, ahol a kvantumtulajdonságok makroszkopikus skálán figyelhetők meg.

Precíziós vezérlés

"A mi technikánk a mágneses mezők precíziós szabályozásán alapult a kezdeti monopólus létrehozásához" - magyarázza Hall.

Hall és Blinova csapata legújabb tanulmányukban ezt a kísérleti megközelítést a által kifejlesztett szimulációs módszerekkel kombinálta Mikko Möttönen az Aalto Egyetemen és munkatársaival. Ezek a kombinált technikák lehetővé tették a kutatók számára, hogy megfigyeljék, mi történik, ha a monopólusokat hagyjuk kifejlődni a Bose–Einstein kondenzátumban.

„Kutatásunk legújabb aspektusa az, hogy képesek vagyunk elég következetesen monopólusokat létrehozni ahhoz, hogy megfigyelhessük időbeli alakulásukat” – magyarázza Hall. "Képesnek kell lennünk konzisztens kezdeti állapot létrehozására, majd különböző időintervallumokra várnunk kell, mielőtt mérést végzünk, hogy lássuk, hogyan fejlődik a rendszer."

Mivel a monopólusok természetüknél fogva rövid életűek, a legkisebb zavar is kiüti őket stabil állapotukból, amitől Alice-gyűrűkké bomlanak. Megközelítésük révén Hall és kollégái végignézhették ezt a folyamatot. „Konkrétan az Alice-gyűrű számos jellemzőjét tudtuk közvetlenül megfigyelni, ahogy a kezdeti monopólus fejlődik” – mondja. „Az egyik az, hogy a monopóluspont szingularitás eltűnik, miközben a monopólustól „távol” régió megőrzi monopólus jellegét.

Nyomon követi Alice csenget

Elemzésük során a kutatók felfedezték, hogy ezt a szingularitást egy olyan örvény váltja fel, amelynek kvantumtulajdonságai megegyeznek Möttönen szimulációiban. Bár kísérleteik csak körülbelül 10 ms-ig tudták közvetlenül követni az Alice gyűrűket, a szimulált Bose-Einstein kondenzátumokban körülbelül 10-szer tovább maradtak fenn.

A csapat eredményei lenyűgöző hatással lehetnek a kvantumfolyadékok megértésére: azt sugallják, hogy megfelelő körülmények között az anyagot antianyaggá alakító struktúrák spontán módon alakulhatnak ki környezetük hatására.

„Rendkívül érdekesnek találom, hogy azokat a terepelméleteket, amelyek célja, hogy valami értelmet ugranak ki a kozmoszból, gyakran olyan kontextusban is megvizsgálhatók, mint egy kondenzvízcsepp, amelynek átmérője kisebb, mint egy hajszál szélessége” – mondja Hall.

Hall valóban abban bízik, hogy kísérletük értékes platformot kínálhat az univerzum belső működésének feltárásához. "Remélem, hogy a tematikus hasonlóságok egy napon a másik irányba is működhetnek, ami azt jelenti, hogy a laboratóriumban találtak relevánsak lehetnek az univerzum alapvető folyamatainak működésének megértésében."

A kutatás leírása a Nature Communications.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa