Физики впервые создали причудливые квантовые кольца Алисы

Исследователи манипулировали тысячами чрезвычайно холодных атомов, чтобы создать кольцевой дефект, который может изменить свойства квантовых объектов, проходящих через него.

Кармела Падавик-Каллаган

29 августа 2023 г.

Художественная иллюстрация кольца Алисы, которое наблюдается впервые.

Хейкка Валья/Университет Аалто

Физики взглянули в пресловутое зеркало и увидели, что атомы по другую сторону принадлежат миру противоположностей. Впервые исследователи создали экзотический квантовый объект, названный кольцом Алисы, которое меняет свойства других квантовых объектов, когда они проходят через него – или когда на них просто смотрят через него.

Квантовые системы, такие как скопления очень холодных атомов или даже вся наша Вселенная, теоретически должны содержать странные объекты, называемые топологическими дефектами. Некоторые из них похожи на длинные струны, а другие еще более странные: нульмерные точки, в центре которых математически невозможно описать такие вещи, как магнитные поля.

Такие дефекты трудно создать и наблюдать. Но Микко Мёттёнен из Университета Аалто в Финляндии и его коллеги придумали, как создать топологический дефект, который быстро трансформируется в другой.

Читать далее:

Новый тип камеры может отображать мини-водовороты в квантовых жидкостях

Для этого они сначала поместили 250 000 атомов рубидия в небольшую камеру, лишенную воздуха, а затем поразили их лазерами, чтобы замедлить их естественное движение и довести до температуры, близкой к абсолютному нулю. В этих условиях все атомы вели себя как один большой квантовый объект. Из-за квантового свойства, называемого спином, этот объект был чувствителен к магнитным полям.

Мёттонен говорит, что команда использовала компьютерное моделирование и математические модели, чтобы определить, как определить направление и силу магнитных полей, чтобы скручивать атомы до тех пор, пока не появится топологический дефект. Этот подход ранее использовался для создания дефектов, называемых монополями, частиц, аналогичных магниту с одним полюсом.

Подпишитесь на нашу рассылку «Затерянные в пространстве-времени»

Распутайте странности реальности с помощью нашего ежемесячного информационного бюллетеня.

Теперь исследователи также наблюдали за судьбой монополя: через несколько миллисекунд каждый созданный ими монополь превратился в кольцо Алисы с одним очень странным свойством.

«У этого кольца Алисы есть особенность. В зависимости от того, смотрите ли вы на какой-то близлежащий монополь через кольцо или со стороны кольца, его заряд выглядит по-разному. Итак, кольцо инвертирует заряд объектов, на которые вы смотрите», — говорит Мёттёнен. Компьютерное моделирование далее показало, что заряд монополя полностью изменится – скажем, с положительного на отрицательный – если он пройдет через кольцо Алисы.

Мёттонен и его коллеги ранее использовали этот метод для создания топологических дефектов в ультрахолодных атомах, в том числе узловообразных структур и особых завихрений, называемых скирмионами. Следующая задача, на которую они нацелены, — это не только создать монополь и кольцо Алисы, но и заставить одно проходить сквозь другое, чтобы непосредственно проверить его функцию зеркала, говорит он.

Янне Руостекоски из Ланкастерского университета в Великобритании говорит, что метод, разработанный исследователями, уникален и может даже позволить визуализировать абстрактные математические теоремы. Например, это может дать ученым возможность исследовать так называемую «теорему о волосатом шаре», которая определяет текстуру полей вокруг топологических дефектов.

Это открывает «беспрецедентные возможности» для исследования теорий в космологии или физике высоких энергий, «где раньше не было экспериментальных доказательств», говорит он.

Ссылка на журнал:

Природные коммуникации DOI: 10.1038/s41467-023-40710-2