Wetenschappers van Amherst College (VS) en Aalto University (Finland) hebben de eerste experimentele waarnemingen gedaan van de dynamiek van geïsoleerde monopolen in kwantummaterie.

De nieuwe studie zorgde voor een verrassing:de kwantummonopool vervalt in een ander analoog van de magnetische monopool. Het verkregen fundamentele begrip van de dynamiek van monopolen kan in de toekomst helpen om nog nauwere analogen van de magnetische monopolen te bouwen.

In tegenstelling tot gewone magneten, magnetische monopolen zijn elementaire deeltjes die alleen een magnetische zuid- of noordpool hebben, maar niet allebei. Er is theoretisch voorspeld dat ze bestaan, maar er zijn geen overtuigende experimentele waarnemingen gemeld. Zo zijn natuurkundigen druk bezig met het zoeken naar analoge objecten.

- In 2014, we hebben experimenteel een Dirac-monopool gerealiseerd, dat is, Paul Dirac's 80 jaar oude theorie waarin hij oorspronkelijk beschouwde dat geladen kwantumdeeltjes interageren met een magnetische monopool, zegt professor David Hall van Amherst College.

- En anno 2015, we creëerden echte kwantummonopolen, voegt dr. Mikko Möttönen van de universiteit van Aalto toe.

Terwijl het Dirac-monopool-experiment de beweging van een geladen deeltje in de buurt van een monopolair magnetisch veld simuleert, de kwantummonopool heeft een puntachtige structuur in zijn eigen veld die lijkt op die van het magnetische monopooldeeltje zelf.

Van de ene kwantummonopool naar de andere in minder dan een seconde

Nu heeft de monopool-samenwerking onder leiding van David Hall en Mikko Möttönen een observatie opgeleverd van hoe een van deze unieke magnetische monopool-analogen in minder dan een seconde spontaan in een andere verandert.

- Klinkt eenvoudig, maar we moesten het apparaat eigenlijk verbeteren om het te laten gebeuren, zegt de heer Tuomas Ollikainen, de eerste auteur van het nieuwe werk.

De wetenschappers beginnen met een extreem verdund gas van rubidium-atomen, gekoeld in de buurt van het absolute nulpunt, bij welke temperatuur het een Bose-Einstein condensaat vormt. Vervolgens, ze bereiden het systeem voor in een niet-gemagnetiseerde toestand en brengen een extern magnetisch veldnulpunt in het condensaat, waardoor een geïsoleerde kwantummonopool ontstaat. Daarna houden ze het nulpunt stil en wachten tot het systeem geleidelijk magnetiseert langs het ruimtelijk variërende magnetische veld. De resulterende vernietiging van de kwantummonopool geeft geboorte aan een Dirac-monopool.

- Ik sprong in de lucht toen ik voor het eerst zag dat we een Dirac-monopool krijgen van het verval. Deze ontdekking verbindt mooi de monopolen die we in de loop der jaren hebben geproduceerd, zegt dr. Möttönen.

Voorbij Nobel natuurkunde

De kwantummonopool is een zogenaamd topologisch puntdefect, dat is, een enkel punt in de ruimte omgeven door een structuur in de niet-gemagnetiseerde toestand van het condensaat dat niet kan worden verwijderd door continu omvormen. Dergelijke structuren zijn gerelateerd aan de Nobelprijs voor de natuurkunde 2016 die deels werd toegekend voor ontdekkingen van topologische faseovergangen met kwantumdraaikolken, of wervelingen.

- Vortexlijnen zijn al tientallen jaren experimenteel bestudeerd in supervloeistoffen; monopolen, anderzijds, slechts enkele jaren experimenteel bestudeerd, zegt prof. Hall.

Hoewel de topologie de kwantummonopool beschermt, het kan vervallen omdat de hele fase van materie verandert van niet-gemagnetiseerd naar gemagnetiseerd.

- Hoe robuust een ijssculptuur je ook maakt, het stroomt allemaal door de afvoer als het ijs smelt, zegt meneer Ollikainen.

- Voor de eerste keer, we observeerden spontaan verschijnende Dirac-monopolen en de bijbehorende vortexlijnen, zegt dr. Möttönen.