Квантовый газ обнаруживает первые признаки монополя

Магниты, какой бы формы они не были, всегда имеют два полюса. Если вы сломаете магнит пополам, вы получите два новых магнита, каждый со своим магнитным севером и югом.

Но некоторые теории физики предсказывают существование однополюсных магнитов — ситуацию, близкую к электрическим зарядам, которая приходит либо в положительные, либо в отрицательные состояния. Одно конкретное воплощение, называемое монополем Янга, изначально было предсказано в контексте физики высоких энергий, но оно никогда не наблюдалось.

Теперь команда JQI во главе с Сейджи Сугава и научным сотрудником JQI Ином Спилманом сумела эмулировать монополю Янга с ультрахолодным газом атомов рубидия. Результат, который дает еще один пример использования холодных квантовых газов для моделирования других областей физики, был опубликован в выпуске журнала Science от 29 июня.

«Этот новый результат связывает идеи, порожденные физикой высоких энергий — монополем Янга — с концепциями в физике конденсированного состояния — топологическими фазовыми переходами, — и реализует их в лаборатории атомной физики, — говорит Спилман.

Чтобы обнаружить магнитные монополии в квантовом газе, Спилман, Сугава и их коллеги манипулировали внутренними направлениями компаса, которые несут все атомы — квантовое свойство, называемое спином, — используя радиоволны и микроволны, чтобы вращать их определенным образом. Задействовав атомы среди четырех различных спиновых ориентаций, исследователи смогли отправить атомы в путешествие через «спиновое пространство» и вернуть их туда, откуда они начали свой путь — очень похоже на путешественника на поверхности Земли, совершающего путешествие вокруг земного шара (но в четырех измерениях вместо двух).

Команда измерила ориентацию спинов атомов после завершения их путешествия и сравнила результат с их начальными ориентациями. Они обнаружили, что спины атомов не вернулись туда, откуда они начали путь — несоответствие, которое может возникнуть во время путешествия через изогнутое пространство. В этом случае размер и направление отклонения совпадают с предсказаниями для кривизны, созданной монополем Янга.

Чтобы проверить, что отклонения действительно были вызваны монополем, а не другим источником, исследователи отправили атомы в другое путешествие, в котором попытались избежать пространственной изгибающей особенности, созданной монополем. На этом новом пути атомы больше не чувствовали общего перетягивания от кривизны, что является сильным признаком того, что они вышли из сферы влияния монополя.

«Мы используем квантовое моделирование, основанное на спиновых степенях свободы атомных конденсатов Бозе-Эйнштейна, для характеристики особенности, присутствующей в пятимерных Неабелевых калибровочных теориях — монополе Янга. Мы количественно оцениваем монополь в терминах чисел Чженя, измеренных на ограждающих многообразиях: в то время как известное первое число Чженя исчезает, второе число Чженя нет. Вытесняя многообразие, мы индуцируем и наблюдаем топологический переход, где топология многообразия переходит в тривиальное состояние» — говорят ученые.

Больше информации: «Second Chern number of a quantum-simulated non-Abelian Yang monopole» Science (2018). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aam9031