Visão artística da decadência de um monopolo de mecânica quântica em um monopolo de Dirac. Crédito:Heikka Valja
Cientistas do Amherst College (EUA) e da Aalto University (Finlândia) fizeram as primeiras observações experimentais da dinâmica de monopolos isolados na matéria quântica.
O novo estudo trouxe uma surpresa:o monopolo quântico decai em outro análogo do monopolo magnético. O entendimento fundamental obtido da dinâmica dos monopólos pode ajudar no futuro a construir análogos ainda mais próximos dos monopólos magnéticos.
Ao contrário dos ímãs usuais, monopólos magnéticos são partículas elementares que têm apenas um pólo magnético sul ou norte, mas não ambos. Eles foram teoricamente previstos para existir, mas nenhuma observação experimental convincente foi relatada. Assim, os físicos estão ocupados procurando por objetos analógicos.
- Em 2014, realizamos experimentalmente um monopolo de Dirac, isso é, A teoria de 80 anos de Paul Dirac, em que ele originalmente considerava partículas quânticas carregadas interagindo com um monopolo magnético, diz o professor David Hall do Amherst College.
- E em 2015, criamos monopólos quânticos reais, acrescenta o Dr. Mikko Möttönen da Aalto University.
Enquanto o experimento monopolar de Dirac simula o movimento de uma partícula carregada na vizinhança de um campo magnético monopolar, o monopolo quântico tem uma estrutura semelhante a um ponto em seu próprio campo semelhante ao da própria partícula monopolo magnética.
Vista para a câmara experimental principal do aparelho, mostrando as bobinas de campo magnético e componentes ópticos necessários para criar o superfluido contendo o monopolo quântico. Veja as instruções acima para acessar a imagem em resolução total. Figura 3 legenda. Crédito:Marcus DeMaio / Amherst College
De um monopolo quântico para outro em menos de um segundo
Agora, a colaboração monopolo liderada por David Hall e Mikko Möttönen produziu uma observação de como um desses análogos monopolo magnéticos únicos se transforma espontaneamente em outro em menos de um segundo.
- Parece fácil, mas na verdade tivemos que melhorar o aparelho para que isso acontecesse, diz o Sr. Tuomas Ollikainen que é o primeiro autor do novo trabalho.
Os cientistas começam com um gás extremamente diluído de átomos de rubídio resfriado perto do zero absoluto, a qual temperatura ele forma um condensado de Bose-Einstein. Subseqüentemente, eles preparam o sistema em um estado não magnetizado e aumentam um ponto zero de campo magnético externo no condensado, criando assim um monopolo quântico isolado. Em seguida, eles mantêm o ponto zero imóvel e esperam que o sistema gradualmente magnetize ao longo do campo magnético espacialmente variável. A destruição resultante do monopolo quântico dá origem a um monopolo de Dirac.
- Eu estava pulando no ar quando vi pela primeira vez que temos um monopolo de Dirac com a decadência. Esta descoberta une muito bem os monopolos que temos produzido ao longo dos anos, diz o Dr. Möttönen.
Imagem lateral experimental do monopolo quântico à esquerda. Após 0,2 segundos, o monopolo quântico decaiu no monopolo de Dirac mostrado à direita. As diferentes cores representam a direção do estado magnético interno dos átomos e o brilho corresponde à densidade das partículas. Veja as instruções abaixo para acessar a imagem em resolução total. Figura 2 legenda. Crédito:Tuomas Ollikainen
Além da física do Nobel
O monopolo quântico é um chamado defeito de ponto topológico, isso é, um único ponto no espaço rodeado por uma estrutura no estado não magnetizado do condensado que não pode ser removido por remodelagem contínua. Tais estruturas estão relacionadas ao Prêmio Nobel de Física 2016, que foi concedido em parte por descobertas de transições de fase topológicas envolvendo redemoinhos quânticos, ou vórtices.
- As linhas de vórtice foram estudadas experimentalmente em superfluidos por décadas; monopolos, por outro lado, foram estudados experimentalmente por apenas alguns anos, diz o Prof. Hall.
Embora sua topologia proteja o monopolo quântico, pode decair, uma vez que toda a fase da matéria muda de não magnetizada para magnetizada.
- Não importa o quão robusta seja a escultura de gelo que você fizer, tudo escorre pelo ralo quando o gelo derrete, diz o Sr. Ollikainen.
- Pela primeira vez, observamos monopolos de Dirac que aparecem espontaneamente e as linhas de vórtice relacionadas, diz o Dr. Möttönen.
