Vue artistique de la désintégration d'un monopôle de mécanique quantique en un monopôle de Dirac. Crédit :Heikka Valja
Des scientifiques de l'Amherst College (USA) et de l'Université Aalto (Finlande) ont réalisé les premières observations expérimentales de la dynamique de monopôles isolés dans la matière quantique.
La nouvelle étude a fourni une surprise :le monopôle quantique se désintègre en un autre analogue du monopôle magnétique. La compréhension fondamentale obtenue de la dynamique des monopôles peut aider à l'avenir à construire des analogues encore plus proches des monopôles magnétiques.
Contrairement aux aimants habituels, les monopôles magnétiques sont des particules élémentaires qui n'ont qu'un pôle magnétique sud ou nord, mais pas les deux. Ils ont été théoriquement prédits pour exister, mais aucune observation expérimentale convaincante n'a été rapportée. Ainsi, les physiciens sont occupés à rechercher des objets analogiques.
- En 2014, nous avons réalisé expérimentalement un monopole de Dirac, C'est, La théorie vieille de 80 ans de Paul Dirac où il considérait à l'origine des particules quantiques chargées interagissant avec un monopôle magnétique, dit le professeur David Hall du Amherst College.
- Et en 2015, nous avons créé de véritables monopôles quantiques, ajoute le Dr Mikko Möttönen de l'Université d'Aalto.
Alors que l'expérience monopolaire de Dirac simule le mouvement d'une particule chargée au voisinage d'un champ magnétique monopolaire, le monopôle quantique a une structure ponctuelle dans son propre champ ressemblant à celui de la particule du monopôle magnétique elle-même.
Vue vers la chambre expérimentale principale de l'appareil, montrant les bobines de champ magnétique et les composants optiques nécessaires pour créer le superfluide contenant le monopôle quantique. Voir les instructions ci-dessus pour accéder à l'image en pleine résolution. Légende de la figure 3. Crédit :Marcus DeMaio/Amherst College
D'un monopôle quantique à un autre en moins d'une seconde
Aujourd'hui, la collaboration monopôle dirigée par David Hall et Mikko Möttönen a permis d'observer comment l'un de ces analogues de monopole magnétique unique se transforme spontanément en un autre en moins d'une seconde.
- Cela semble facile, mais nous avons dû améliorer l'appareil pour y arriver, dit M. Tuomas Ollikainen qui est le premier auteur du nouvel ouvrage.
Les scientifiques commencent avec un gaz extrêmement dilué d'atomes de rubidium refroidi près du zéro absolu, à quelle température il forme un condensat de Bose-Einstein. Ensuite, ils préparent le système dans un état non magnétisé et rampent un point zéro de champ magnétique externe dans le condensat, créant ainsi un monopôle quantique isolé. Ensuite, ils maintiennent le point zéro immobile et attendent que le système magnétise progressivement le long du champ magnétique variant dans l'espace. La destruction du monopôle quantique qui en résulte donne naissance à un monopôle de Dirac.
- Je sautais en l'air quand j'ai vu pour la première fois que nous obtenions un monopole de Dirac de la désintégration. Cette découverte relie bien les monopôles que nous avons produits au fil des ans, dit le Dr Möttönen.
Image expérimentale latérale du monopôle quantique à gauche. Après 0,2 seconde, le monopôle quantique s'est désintégré en le monopôle de Dirac illustré à droite. Les différentes couleurs représentent la direction de l'état magnétique interne des atomes et la luminosité correspond à la densité des particules. Voir les instructions ci-dessous pour accéder à l'image en pleine résolution. Légende de la figure 2. Crédit :Tuomas Ollikainen
Au-delà du prix Nobel de physique
Le monopôle quantique est un défaut ponctuel dit topologique, C'est, un seul point dans l'espace entouré d'une structure à l'état non magnétisé du condensat qui ne peut être éliminé par un remodelage continu. De telles structures sont liées au prix Nobel de physique 2016 qui a été décerné en partie pour des découvertes de transitions de phase topologiques impliquant des tourbillons quantiques, ou des tourbillons.
- Les raies Vortex sont étudiées expérimentalement dans les superfluides depuis des décennies; monopoles, d'autre part, sont étudiés expérimentalement depuis quelques années seulement, dit le professeur Hall.
Bien que sa topologie protège le monopôle quantique, il peut se désintégrer puisque toute la phase de la matière passe de non magnétisée à magnétisée.
- Peu importe la robustesse d'une sculpture de glace que vous fabriquez, tout coule dans le drain quand la glace fond, dit M. Ollikainen.
- Pour la première fois, nous avons observé l'apparition spontanée de monopôles de Dirac et des raies tourbillonnaires associées, dit le Dr Möttönen.
