Ученые наблюдают новую квантовую частицу со свойствами шаровой молнии

Ученые из Амхерст-колледжа и Университета Аалто впервые создали трехмерный скирмион в квантовом газе. Скирмион был предсказан теоретически более 40 лет назад, но только сейчас он наблюдался экспериментально.

В чрезвычайно редком и холодном квантовом газе физики создали узлы из магнитных моментов или спинов составляющих атомов. Узлы демонстрируют многие характеристики шаровой молнии, которые, по мнению некоторых ученых, состоят из запутанных потоков электрических токов. Сохранение таких узлов может быть причиной того, что шаровая молния, шар плазмы, живет в течение удивительно долгого времени по сравнению с ударом молнии. Новые результаты могут вдохновить на новые способы удержания плазмы в стабильном шаре в термоядерных реакторах.

«Замечательно, что мы могли бы создать синтетический электромагнитный узел, т. е. квантовую шаровую молнию, по существу, с двумя противоположными циркулирующими электрическими токами», — говорит д-р Микко Меттенен, лидер теоретических исследований Университета Аалто.

Меттенен также вспоминает, что был свидетелем появления шаровой молнии, в доме его бабушки и дедушки. Сообщения о наблюдениях за шаровой молнией были на протяжении всей истории людей, но физические доказательства встречаются редко.

Динамика квантового газа соответствует динамике заряженной частицы, реагирующей на электромагнитные поля шаровой молнии.
«Квантовый газ охлаждается до очень низкой температуры, когда он образует конденсат Бозе-Эйнштейна: все атомы в газе находятся в состоянии минимальной энергии. Таким образом он больше не ведет себя как обычный газ, а как один гигантский атом, — объясняет профессор Дэвид Холл, руководитель экспериментальных исследований в колледже Амхерст.

Скирмион создается сначала путем поляризации спина каждого атома вверх по приложенному естественному магнитному полю. Затем приложенное поле внезапно изменяется таким образом, что точка, в которой поле исчезает, появляется в середине конденсата. Следовательно, спины атомов начинают вращаться в новом направлении приложенного поля в их соответствующих положениях. Поскольку магнитное поле указывает во всех возможных направлениях вблизи нулевого поля, спины собираются в узел. Структура скирмиона состоит из связанных петель, у каждого из которых все спины указывают на определенное фиксированное направление.

Если направление спина меняется в пространстве, скорость конденсата отвечает так же, как и для заряженной частицы в магнитном поле. Завязанная спиновая структура, таким образом, приводит к узловому искусственному магнитному полю, которое точно соответствует магнитному полю в модели шаровой молнии.

«Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы узнать, можно ли создать настоящую шаровую молнию с помощью такого метода. Дальнейшие исследования могут привести к поиску решения, позволяющего эффективно поддерживать плазму и обеспечивать более стабильные реакторы слияния, чем сейчас, — объясняет Меттенен.

Больше информации: W. Lee, A.H. Gheorghe, K. Tiurev, T. Ollikainen, M. Möttönen, and D.S. Hall, Synthetic Electromagnetic Knot in a Three-Dimensional Skyrmion, Science Advances 4, eaao3820 (2018). advances.sciencemag.org/content/4/3/eaao3820