Художественная иллюстрация кольца Алисы, которое исследователи только что впервые наблюдали в природе.
Фото: Хейкка Валья/Университет Аалто.

Эти результаты знаменуют собой последнее открытие в серии работ, охватывающих совместную карьеру профессора Университета Аалто Микко Мёттонена и профессора Амхерстского колледжа Дэвида Холла.

«Это был первый раз, когда в результате нашего сотрудничества удалось создать кольца Алисы в природе, что стало монументальным достижением», — сказал Мёттонен.

«Это фундаментальное исследование открывает новые двери для понимания того, как эти структуры и их аналоги в физике элементарных частиц функционируют во Вселенной», — добавил Холл.

Давние отношения под названием «Сотрудничество монополей» первоначально доказали существование квантового аналога магнитного монополя в 2014 году, выделили квантовые монополи в 2015 году и, в конечном итоге, наблюдали распад одного на другой в 2017 году.

Монополи остаются неуловимой концепцией в области квантовой физики. Как следует из названия, монополи — это отдельные аналоги диполей, которые несут положительный заряд на северном полюсе и отрицательный заряд на южном. Напротив, монополь несет только положительный или отрицательный заряд.

Хотя концепция звучит просто, реализация настоящего монополя оказалась задачей, определяющей карьеру. Вот как Коллаборация Монополей сделала это: они манипулировали газом атомов рубидия, приготовленным в немагнитном состоянии при температуре, близкой к абсолютному нулю. В этих экстремальных условиях они смогли создать монополь, направив нулевую точку трехмерного магнитного поля в квантовый газ.

Закладываем теоретическую основу

Эти квантовые монополи эфемерны по своей природе и распадаются через несколько миллисекунд после своего создания. Именно в условиях этой нестабильности формируется кольцо Алисы.

«Думайте о монополе как о яйце, балансирующем на вершине холма», — сказал Мёттонен. «Малейшие возмущения могут привести к его разрушению. Точно так же монополи подвержены шуму, который вызывает их распад на кольца Алисы».

Хотя монополи недолговечны, исследовательская группа смоделировала стабильные кольца Алисы в течение 84 миллисекунд — более чем в 20 раз дольше, чем продолжительность жизни монополя. Это заставляет исследователей с оптимизмом смотреть на то, что будущие эксперименты откроют еще более своеобразные свойства колец Алисы.

«Издалека кольцо Алисы выглядит как монополь, но мир принимает другую форму, если смотреть через центр кольца», — сказал Холл.

«Именно с этой точки зрения все кажется зеркальным, как если бы кольцо было воротами в мир антиматерии, а не материи», — добавил Мёттонен.

Теоретически монополь, проходящий через центр кольца Алисы, превратился бы в антимонополь противоположного заряда. Соответственно, изменится и заряд кольца Алисы. Хотя это явление еще не наблюдалось экспериментально, Мёттонен сказал, что топологическая структура колец Алисы требует такого поведения.

Экспериментальную работу проводил в Амхерстском колледже преимущественно доктор философии, кандидат Алина Блинова и Холл, а Мёттёнен и его команда отвечали за проведение соответствующего моделирования. Таким образом, обе команды смогли подтвердить интерпретацию экспериментальных наблюдений.

«Просто удивительно иметь такое важное открытие, как финал моей докторской работы», — сказала Блинова.