Auf dem Gebiet der Quantenphysik gibt es viele Wege, die zu verlockenden neuen Forschungsgebieten führen, aber ein Kaninchenbau bietet einen einzigartigen Blickwinkel auf eine Welt, in der sich Teilchen anders verhalten – durch den sprichwörtlichen Spiegel.
Das Erscheinen dieses Objekts, das nach Lewis Carrolls weltberühmten Geschichten über Alices Abenteuer im Wunderland „Alice-Ring“ genannt wird, bestätigt eine jahrzehntealte Theorie über den Zerfall von Monopolen. Insbesondere zerfallen sie in einen ringförmigen Wirbel, in dem alle anderen Monopole, die durch das Zentrum laufen, in ihre entgegengesetzten magnetischen Ladungen umgewandelt werden.
Veröffentlicht in Naturkommunikation Diese Ergebnisse stellen die neueste Entdeckung in einer Reihe von Arbeiten dar, die sich über die gemeinsame Karriere von Professor Mikko Möttönen von der Aalto-Universität und Professor David Hall vom Amherst College erstrecken.
„Dies war das erste Mal, dass unsere Zusammenarbeit Alice-Ringe in der Natur schaffen konnte, was eine monumentale Leistung war“, sagte Möttönen.
„Diese Grundlagenforschung öffnet neue Türen zum Verständnis, wie diese Strukturen und ihre Analoga in der Teilchenphysik im Universum funktionieren“, fügte Hall hinzu.
Die langjährige Zusammenarbeit mit dem Titel „Monopole Collaboration“ bewies zunächst im Jahr 2014 die Existenz eines Quantenanalogs des magnetischen Monopols, isolierte im Jahr 2015 Quantenmonopole und beobachtete schließlich im Jahr 2017 den Zerfall eines in das andere.
Monopole bleiben in der Quantenphysik ein schwer fassbares Konzept. Wie der Name schon sagt, sind Monopole das einzelne Gegenstück zu Dipolen, die an ihrem Nordpol eine positive Ladung und am Südpol eine negative Ladung tragen. Im Gegensatz dazu trägt ein Monopol nur entweder eine positive oder eine negative Ladung.
Auch wenn das Konzept einfach klingt, hat sich die Verwirklichung eines echten Monopols als karrierebestimmende Aufgabe erwiesen. So hat es die Monopole Collaboration geschafft: Sie manipulierte ein Gas aus Rubidiumatomen, das in einem nichtmagnetischen Zustand nahe dem absoluten Nullpunkt hergestellt wurde. Unter diesen extremen Bedingungen gelang es ihnen dann, einen Monopol zu erzeugen, indem sie einen Nullpunkt eines dreidimensionalen Magnetfelds in das Quantengas steuerten.
Theoretische Grundlagen schaffen
Diese Quantenmonopole sind von Natur aus kurzlebig und zerfallen wenige Millisekunden nach ihrer Entstehung. Innerhalb dieser Instabilität nimmt der Alice-Ring Gestalt an.
„Stellen Sie sich den Monopol wie ein Ei vor, das auf der Spitze eines Hügels schwankt“, sagte Möttönen. „Die geringsten Störungen können zum Absturz führen. Ebenso unterliegen Monopole einem Rauschen, das ihren Zerfall in Alice-Ringe auslöst.“
Während Monopole nur von kurzer Dauer sind, simulierte die Forschungsgruppe stabile Alice-Ringe für bis zu 84 Millisekunden – mehr als 20-mal länger als die Lebensdauer von Monopolen. Dies lässt die Forscher optimistisch sein, dass zukünftige Experimente noch mehr merkwürdige Eigenschaften der Alice-Ringe offenbaren werden.
„Aus der Ferne sieht der Alice-Ring wie ein Monopol aus, aber die Welt nimmt eine andere Form an, wenn man durch die Mitte des Rings blickt“, sagte Hall.
„Aus dieser Perspektive scheint alles gespiegelt zu sein, als wäre der Ring ein Tor in eine Welt der Antimaterie statt der Materie“, fügte Möttönen hinzu.
Theoretisch würde ein Monopol, der durch die Mitte eines Alice-Rings verläuft, in ein Antimonopol mit entgegengesetzter Ladung umgewandelt werden. Dementsprechend würde sich auch die Ladung des Alice-Rings ändern. Obwohl dieses Phänomen noch nicht experimentell beobachtet wurde, sagte Möttönen, dass die topologische Struktur der Alice-Ringe dieses Verhalten erforderlich mache.
Die experimentelle Arbeit wurde am Amherst College hauptsächlich von Ph.D. durchgeführt. Kandidatin Alina Blinova und Hall, während Möttönen und sein Team für die Durchführung von Matching-Simulationen verantwortlich waren. Auf diese Weise konnten die beiden Teams die Interpretation der experimentellen Beobachtungen bestätigen.
„Es ist einfach erstaunlich, eine so große Entdeckung als Abschluss meiner Doktorarbeit zu haben“, sagte Blinova.
Mehr Informationen:
Alina Blinova et al., Beobachtung eines Alice-Rings in einem Bose-Einstein-Kondensat, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40710-2