Wetenschappers van Amherst College en Aalto University hebben gecreëerd, voor het eerst een driedimensionaal skyrmion in een kwantumgas. Het skyrmion werd meer dan 40 jaar geleden theoretisch voorspeld, maar pas nu is het experimenteel waargenomen.

In een extreem dun en koud kwantumgas, de natuurkundigen hebben knopen gemaakt van magnetische momenten, of draait, van de samenstellende atomen. De knopen vertonen veel van de kenmerken van bolbliksem, waarvan sommige wetenschappers denken dat het bestaat uit verwarde stromen van elektrische stromen. De hardnekkigheid van dergelijke knopen zou de reden kunnen zijn waarom bolbliksem, een bal van plasma, leeft verrassend lang in vergelijking met een blikseminslag. De nieuwe resultaten zouden nieuwe manieren kunnen inspireren om plasma intact te houden in een stabiele bal in fusiereactoren.

'Het is opmerkelijk dat we de synthetische elektromagnetische knoop konden maken, dat is, kwantumbal bliksem, in wezen met slechts twee tegen-circulerende elektrische stromen. Dus, het kan mogelijk zijn dat bij een normale blikseminslag een natuurlijke balverlichting ontstaat, ' zegt dr. Mikko Möttönen, leider van de theoretische inspanning aan de Aalto University.

Möttönen herinnert zich ook dat hij getuige was geweest van een bliksemflits die kort in het huis van zijn grootouders schitterde. Waarnemingen van bolbliksem zijn door de geschiedenis heen gemeld, maar fysiek bewijs is zeldzaam.

De dynamiek van het kwantumgas komt overeen met die van een geladen deeltje dat reageert op de elektromagnetische velden van een bolbliksem.

'Het kwantumgas wordt afgekoeld tot een zeer lage temperatuur waar het een Bose-Einstein-condensaat vormt:alle atomen in het gas komen in de toestand van minimale energie terecht. De staat gedraagt ​​zich niet meer als een gewoon gas, maar als een enkel gigantisch atoom, ' legt professor David Hall uit, leider van de experimentele inspanning bij Amherst College.

Het skyrmion wordt eerst gecreëerd door de spin van elk atoom te polariseren om naar boven te wijzen langs een aangelegd natuurlijk magnetisch veld. Vervolgens, het aangelegde veld wordt plotseling zodanig veranderd dat in het midden van het condensaat een punt verschijnt waar het veld verdwijnt. Bijgevolg, de spins van de atomen beginnen te roteren in de nieuwe richting van het aangelegde veld op hun respectieve locaties. Aangezien het magnetische veld in alle mogelijke richtingen in de buurt van het veld nul wijst, de spins wind in een knoop.

De geknoopte structuur van de skyrmion bestaat uit gekoppelde lussen, bij elk waarvan alle spins naar een bepaalde vaste richting wijzen. De knoop kan worden losgemaakt of verplaatst, maar niet los.

'Wat dit een skyrmion maakt in plaats van een kwantumknoop, is dat niet alleen de spin draait, maar ook de kwantumfase van de condensaatwinden herhaaldelijk, ' zegt Halle.

Als de richting van de spin in de ruimte verandert, de snelheid van het condensaat reageert net zoals zou gebeuren voor een geladen deeltje in een magnetisch veld. Door de geknoopte spinstructuur ontstaat zo een geknoopt kunstmatig magneetveld dat exact overeenkomt met het magneetveld in een model van bolbliksem.

'Er is meer onderzoek nodig om te weten of het ook mogelijk is om met een dergelijke methode een echte bolbliksem te maken. Verdere studies zouden kunnen leiden tot het vinden van een oplossing om plasma efficiënt bij elkaar te houden en stabielere fusiereactoren mogelijk te maken dan we nu hebben, ' legt Möttönen uit.