Aimants, que ce soit sous forme de barre, fer à cheval ou électro-aimant, toujours avoir deux pôles. Si vous cassez un aimant en deux, vous vous retrouverez avec deux nouveaux aimants, chacun avec son propre nord et sud magnétiques.

Mais certaines théories de la physique prédisent l'existence d'aimants unipolaires - une situation semblable à des charges électriques, qui viennent en morceaux positifs ou négatifs. Une incarnation particulière - appelée le monopole de Yang d'après son découvreur - a été initialement prédite dans le contexte de la physique des hautes énergies, mais cela n'a jamais été observé.

Maintenant, une équipe de JQI dirigée par le chercheur postdoctoral Seiji Sugawa et le boursier JQI Ian Spielman ont réussi à émuler un monopole Yang avec un gaz ultrafroid d'atomes de rubidium. Le résultat, qui fournit un autre exemple d'utilisation de gaz quantiques froids pour simuler d'autres domaines de la physique, a été rapporté dans le numéro du 29 juin de Science .

"Ce nouveau résultat relie des idées nées en physique des hautes énergies - le monopole de Yang - avec des concepts de physique de la matière condensée - les transitions de phase topologiques - et les réalise dans le laboratoire de physique atomique, " dit Spielman.

Pour détecter les monopôles Yang dans leur gaz quantique, Spielman, Sugawa et ses collègues ont manipulé les aiguilles internes de la boussole que tous les atomes portent – ​​une propriété quantique appelée spin – en utilisant des ondes radio et des micro-ondes pour faire pivoter les aiguilles de manière spécifique. En cyclant les atomes entre quatre orientations de spin différentes, les chercheurs ont pu envoyer les atomes dans un voyage à travers "l'espace de rotation" et les ramener à leur point de départ, un peu comme un voyageur à la surface de la Terre faisant le tour du globe (mais en quatre dimensions au lieu des deux du globe) .

L'équipe a mesuré l'orientation des spins des atomes après avoir terminé leur voyage et a comparé le résultat à leurs orientations initiales. Ils ont découvert que les spins des atomes ne retournaient pas là où ils avaient commencé, un décalage qui peut survenir lors d'un voyage dans un espace courbe. Dans ce cas, la taille et la direction de la déviation correspondaient aux prédictions de la courbure créée par un monopôle Yang.

Pour tester que les déflexions étaient bien dues au monopôle et non à une autre source, les chercheurs ont envoyé les atomes dans un voyage différent, celui qui a tenté d'éviter la singularité de courbure de l'espace créée par le monopole. Sur ce nouveau chemin, les atomes ne ressentaient plus de tiraillement global de la courbure, une forte indication qu'ils avaient quitté le royaume d'influence du monopole.

L'activation et la désactivation des effets du monopole ne dépendent que de la forme globale des chemins empruntés par les atomes et non de petits mouvements en cours de route, ce qui indique que l'effet est topologique. Les chemins enferment ou non un monopole, et cela fournit une caractéristique topologique qui pourrait conduire à de nouveaux types de pompes de charge quantique, dit Spielman.