فراسوی نوبل فیزیک ۲۰۱۶: مرگ تک قطبی کوانتومی و تولد تک قطبی دیراک مشاهده شد!

دانشمندان برای نخستین بار توانستند دینامیک تک قطبی‌ های کوانتومی منزوی را در آزمایشگاه مشاهده کنند. این پژوهش جدید، یک شگفتی را رقم زد: تک قطبی کوانتومی ‌می‌تواند به یک همتای تک قطبی مغناطیسی دیگر تبدیل شود. درک بدست‌آمده از دینامیک تک قطبی می‌تواند برای ساخت موجودات شبیه‌تری به تک قطبی‌ های مغناطیسی کمک کند. نتیجه این پژوهش دیروز در مجله Physical Review X منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…

اجازه دهید قبل از هرچیز، تک قطبی های مغناطییسی را تعریف کنیم: یک آهنربا را تصور کنید. اگر آن را دقیق از وسط نصف کنید چه رخ می‌دهد؟ آیا دو آهنربا خواهیم داشت که یکی فقط یک قطب شمال و دیگری فقط یک قطب جنوب دارد؟ پاسخ خیر است. البته ابن پاسخی است که الکترومغناطیس کلاسیک (یا همان معادلات ماکسول) به این سوال می‌دهند، اما مکانیک کوانتومی، باز هم مثل همیشه، پاسخ دیگری می‌دهد! دیراک ۸۰ سال قبل، وجود تک قطبی های مغناطیسی را پیش‌بینی کرد.

تک قطبی‌ های مغناطیسی برخلاف آهنرباهای معمولی، ذرات بنیادی هستند که فقط یکی از دو قطب جنوب یا شمال را دارند. در واقع آنها یک بار مغناطیسی خالص دارند. این موجودات عجیب و غریب در نظریه‌های مدرن فیزیک مانند نظریه وحدت بزرگ و ابرریسمان، بسیار حائز اهمیت هستند.  اگرچه وجود تک قطبی مغناطیسی به لحاظ نظری پیش‌بینی شده‌اند، اما هنوز مشاهدات آزمایشگاهی متقاعدکننده‌ای درباره‌ی آنها گزارش نشده است؛ بنابراین فیزیکدانان در جستجوی یافتن اشیایی شبیه به آنها هستند. دانشمندان این پژوهش جدید می‌گویند:

ما در سال ۲۰۱۴ یک تک قطبی دیراک را به طور تجربی درک کردیم. تک قطبی دیراک به نظریه ۸۰ ساله‌ی پل دیراک برمی‌گردد، زمانیکه او ذرات بارداری را درنظرگرفت که با یک تک قطبی مغناطیسی برهمکنش می‌کنند. در سال ۲۰۱۵، ما یک تک قطبی کوانتومی واقعی ساختیم

تفاوت تک قطبی مغناطیسی دیراک با تک قطبی کوانتومی در این است که در آزمایش تک قطبی‌ دیراک، حرکت ذرات باردار را در مجاورت میدان مغناطیسی یک تک قطبی، شبیه‌سازی می‌شود، اما تک قطبی‌ کوانتومی ، ساختاری نقطه مانند در میدان خودش دارد که شبیه ذره تک قطبی مغناطیسی است.

تبدیل تک قطبی کوانتومی در کمتر از یک ثانیه

حالا و پس از ساخت تک قطبی، دانشمندان مشاهده کرده‌اند که چگونه یکی از این مشابهان تک قطبی های مغناطیسی در کسری از ثانیه و به‌طور خودبخود به تک قطبی دیگری تبدیل می‌شود. دانشمندان می‌گویند:

ممکن است کار راحتی به‌نظر برسد، ولی ما واقعا مجبور بودیم برای وقوعش، تجهیزاتمان را ارتقا دهیم.

دانشمندان، کار خود را با یک گاز فوق‌العاده رقیق از اتم‌های روبیدیوم که تا نزدیکی صفر مطلق، سرد شده بود، آغاز کردند. در این دما، یک چگالیده‌ی بوز-اینشتین ایجاد شد، سپس سیستم را در یک حالت غیرمغناطیسی تهیه کرده و یک نقطه‌ی صفر میدان مغناطیسی خارجی را به چگالیده اعمال کردند و به این ترتیب، یک تک قطبی کوانتومی ایزوله ساختند. آنها نقطه صفر را نگه داشتند و منتظر ماندند تا سیستم به‌تدریج در طول میدان مغناطیسی در حال تغییر، کشیده شود. پدیده‌ی بسیار شگفت‌انگیزی رخ داد: با تخریب تک قطبی کوانتومی ، یک تک قطبی دیراک متولد شد. دکتر موتِنِن (Möttönen) می‌گوید:

من وقتی برای اولین بار دیدم که یک تک قطبی دیراک از تخریب یک تک قطبی کوانتومی متولد شد، به هوا پریدم. این کشف با تک قطبی هایی که ما در طی این سال‌ها می‌ساختیم، پیوند خورده است.

فراتر از نوبل فیزیک…

تک قطبی کوانتومی ، یک نقص نقطه توپولوژیکی نامیده می‌شود، یعنی یک نقطه در فضایی که توسط یک ساختار غیرمغناطیسی چگالیده بوز-اینشتین احاطه شده و نمی‌تواند با تغییرشکل مداوم، حذف شود. این ساختارها با جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۶ ارتباط دارند، چرا که نوبل ۲۰۱۶ به تبدیل فاز توپولوژیکی تعلق گرفت.

دهه‌هاست که خطوط گردابی ابرشاره‌ها در آزمایشگاه مطالعه شده‌اند، اما تک قطبی ها فقط چند سالی است که به طور آزمایشگاهی بررسی می‌شوند. اگرچه توپولوژی این خطوط از تک قطبی کوانتومی محافظت می‌کند، اما تک قطبی می‌تواند تخریب شود، زیرا فاز کل ماده از یک حالت غیرمغناطیسی به حالت مغناطیسی تغییر می‌کند. در واقع مهم نیست مجمسه‌ی یخی شما چقدر محکم است، زیرا وقتی یخ دوب شود، کل مجسمه به صورت آب به پایین جاری خواهد شد!
مقاله اصلی را در زیر مشاهده کنید:

[gview file=”http://www.deeplook.ir/wp-content/uploads/2017/05/PhysRevX.7.021023.pdf”]