Aalto-yliopiston tutkijat havaitsivat yhdysvaltalaisten kollegoidensa kanssa ensimmäisenä maailmassa pistemäisen monopolin kvanttikentässä.

Tutkijat tekivät kokeen, jossa rubidium-atomeista muodostunutta kaasua muokattiin magneetittomassa tilassa lähes absoluuttisessa nollapisteessä. Nämä olosuhteet mahdollistivat yksittäisen monopolin luomisen kaasua kuvaavaan kvanttimekaaniseen kenttään.

”Magneetittomassa tilassa kaasun kenttään syntyi samankaltainen rakenne kuin miltä magneettinen monopolihiukkanen näyttää hiukkasfysiikan teorioissa", iloitsee tutkimusryhmäss mukana oleva dosentti Mikko Möttönen Aalto-yliopistosta. 

"Aikaisemmin olemme saaneet aikaan monopolin synteettiseen magneettikenttään, mutta monopolia ei ollut kaasua kuvaavassa kvanttikentässä. Nyt vihdoinkin näimme kvanttimekaanisen monopolin!”

”Magneetittomassa tilassa kvanttikenttään ei syntynyt virtauspyörrettä eikä synteettistä magneettisen monopolin kenttää. Näytteessä vallitsi kuitenkin magneettinen järjestys, jota saatoimme ohjata ulkoisen magneettikentän muutoksella”, jatkaa Möttönen.

”Jouduimme pitämään ulkoista magneettikenttää vakiona murto-osien tarkkuudella suhteessa maapallon magneettikenttään”, lisää professori David Hall Amherst Collegesta.

”Kokeellisesti suurin haasteemme oli muokata hallitusti tämän äärimmäisen kylmän kaasun tilaa. Jopa metallisten tavaroiden siirtely tai pienet häiriöt sähköverkossa voivat tehdä monopolien luonnista kiusallisen vaikeaa”, Hall jatkaa.

Tulos on suuri askel kvanttitutkimuksen etenemiselle. Monopolien ja muiden topologisten rakenteiden ymmärtäminen on tärkeää, koska niitä esiintyy varhaista maailmankaikkeutta kuvaavissa malleissa ja ne vaikuttavat useiden materiaalien kuten metallien ominaisuuksiin.

Magneettisen monopolihiukkasen löytymiseen on vielä matkaa. Nyt saavutettu tulos osoittaa, että kvanttimekaaninen monopolirakenne voi esiintyä luonnossa ja siksi vahvistaa magneettisen monopolin olemassaolon mahdollisuutta.

Otsikkokuvassa on kokeellisesti luotu Bosen-Einsteinin kondensaatti, jossa on monopoli (vasemmalla) ja vastaava teoreettinen ennustus (oikealla). Kirkkaampi väri tarkoittaa suurempaa hiukkastiheyttä ja värin eri sävyt kuvaavat atomien sisäistä spin-vapausastetta. Monopoli sijaitsee keskellä kondensaattia.
Tutkimustulos kytkeytyy monopolimagneetin tärkeisiin ominaisuuksiin, ja se julkaistiin juuri Science-lehdessä.

Teksti on Aalto-yliopiston tiedote.