Квантовий газ виявляє перші ознаки монополю

Магніти, якої б форми вони не були, завжди мають два полюси. Якщо ви зламаєте магніт навпіл, ви отримаєте два нових магніти, кожен зі своєю магнітною північчю і півднем.

Але деякі теорії фізики передбачають існування однополюсних магнітів - ситуацію, близьку до електричних зарядів, яка приходить або в позитивні, або в негативні стани. Одне конкретне втілення, зване монополем Янга, спочатку було передбачене в контексті фізики високих енергій, але воно ніколи не спостерігалося.

Тепер команда JQI на чолі з Сейджі Сугава і науковим співробітником JQI Іном Спілманом зуміла емулювати монополію Янга з ультрахолодним газом атомів рубідію. Результат, який дає ще один приклад використання холодних квантових газів для моделювання інших областей фізики, був опублікований у випуску журналу Science від 29 червня.

"Цей новий результат пов'язує ідеї, породжені фізикою високих енергій - монополієм Янга - з концепціями у фізиці конденсованого стану - топологічними фазовими переходами, - і реалізує їх в лабораторії атомної фізики, - говорить Спілман.

Щоб виявити магнітні монополії в квантовому газі, Спілман, Сугава і їхні колеги маніпулювали внутрішніми напрямками компаса, які несуть всі атоми - квантову властивість, звану спином, - використовуючи радіохвилі і мікрохвилі, щоб обертати їх певним чином. Задіявши атоми серед чотирьох різних спинових орієнтацій, дослідники змогли відправити атоми в подорож через «спиновий простір» і повернути їх туди, звідки вони почали свій шлях - дуже схоже на мандрівника на поверхні Землі, що здійснює подорож навколо земної кулі (але в чотирьох вимірах замість двох).

Команда виміряла орієнтацію спинів атомів після завершення їхньої подорожі і порівняла результат з їхніми початковими орієнтаціями. Вони виявили, що спини атомів не повернулися туди, звідки вони почали шлях - невідповідність, яка може виникнути під час подорожі через вигнутий простір. У цьому випадку розмір та напрямок відхилення збігаються з передбаченнями кривизни, створеної монополієм Янга.

Щоб перевірити, що відхилення дійсно були викликані монополем, а не іншим джерелом, дослідники відправили атоми в іншу подорож, в якій спробували уникнути просторової згинаючої особливості, створеної монополем. На цьому новому шляху атоми більше не відчували загального перетягування від кривизни, що є сильною ознакою того, що вони вийшли зі сфери впливу монополя.

"Ми використовуємо квантове моделювання, засноване на спинових ступенях свободи атомних конденсатів Бозе-Ейнштейна, для характеристики особливості, присутньої в п'ятимерних Неабельових калібрувальних теоріях - монополі Янга. Ми кількісно оцінюємо монополь у термінах чисел Чженя, вимірених на огороджувальних різноманіттях: у той час як відоме перше число Чженя зникає, друге число Чженя немає. Витісняючи різноманіття, ми індукуємо і спостерігаємо топологічний перехід, де топологія різноманіття переходить у тривіальний стан "- кажуть вчені.