Araştırmacıların doğada ilk kez gözlemlediği Alice halkasının sanatsal çizimi. Katkı Sağlayan: Heikka Valja/Aalto Üniversitesi
Deneyler, çürüyen tek kutupların ilginç bir yönünü ortaya koyuyor: Parçacık fiziğinin kelimenin tam anlamıyla baş aşağı döndüğü bir gerçeklik.
Kuantum fiziği alanı, heyecan verici yeni çalışma alanlarına giden yollarla doludur, ancak bir tavşan deliği, meşhur ayna aracılığıyla, parçacıkların farklı davrandığı bir dünyaya benzersiz bir bakış açısı sunar.
“Alice” lakaplı Lewis Carroll’un Alice Harikalar Diyarında’daki dünyaca ünlü hikayelerinden sonra “halka” olarak adlandırılan bu nesnenin ortaya çıkışı, tek kutupların nasıl bozulduğuna dair onlarca yıllık bir teoriyi doğruluyor. Spesifik olarak, halka benzeri bir girdaba dönüşüyorlar ve burada merkezinden geçen diğer tek kutuplar zıt manyetik yüklere dönüşüyor.
Yakın zamanda Nature Communications dergisinde yayınlanan bu bulgular, bir alandaki en son keşfe işaret ediyor. Aalto Üniversitesi Profesörü Mikko Möttönen ve Amherst Koleji Profesörü David Hall’un ortak kariyerlerini kapsayan bir dizi çalışma.
İşbirliğinde Kuantum Sıçrayışı
“İşbirliğimizin ilk kez bu kadar başarılı olduğu bir dönemdi. Möttönen, doğada Alice halkaları yaratmanın muazzam bir başarı olduğunu söyledi.
“Bu temel araştırma, bu yapıların ve bunların parçacık fiziğindeki analoglarının evrende nasıl işlediğini anlama konusunda yeni kapılar açıyor,” diye ekledi Hall.{ 4}
Tek Kutup İşbirliği başlıklı uzun süredir devam eden ilişki, ilk olarak 2014 yılında manyetik tek kutupun bir kuantum analoğunun, 2015 yılında ise izole edilmiş kuantum tek kutuplarının varlığını kanıtladı ve sonunda bir tanesi gözlemlendi 2017’de diğerine bozunma.
Tekkutupluları Anlamak
Tekkutuplular kuantum fiziği alanında anlaşılması zor bir kavram olmaya devam ediyor. Adından da anlaşılacağı gibi, monopoller, kuzey kutbunda pozitif yük ve güneyde negatif yük taşıyan dipollerin tekli karşılığıdır. Bunun tersine, tek kutup yalnızca pozitif veya negatif yük taşır.
Kavram basit gibi görünse de, gerçek bir tek kutupun farkına varmanın kariyer belirleyici bir görev olduğu kanıtlandı. Monopole İşbirliği bunu şu şekilde başardı: Mutlak sıfır sıcaklığa yakın, manyetik olmayan bir durumda hazırlanan rubidyum atomlarından oluşan bir gazı manipüle ettiler. Bu aşırı koşullar altında, üç boyutlu bir manyetik alanın sıfır noktasını kuantum gazına yönlendirerek bir tek kutup oluşturmayı başardılar.
Alice Halkalarının Ortaya Çıkışı
Bu kuantum tek kutupları Doğaları gereği geçicidirler ve yaratılmalarından birkaç milisaniye sonra çürürler. Alice halkası işte bu istikrarsızlık içinde şekilleniyor.
“Tek kutbu, bir tepenin tepesinde sallanan bir yumurta olarak düşünün” dedi Möttönen. “En ufak bir tedirginlik onu çökertebilir. Aynı şekilde, tek kutuplular da gürültüye maruz kalırlar ve bu da onların Alice halkalarına dönüşmesini tetikler.”
Tek kutuplar kısa ömürlü olsa da, araştırma grubu kararlı Alice halkalarını 84 milisaniyeye kadar, yani 20 kat daha uzun bir süre boyunca simüle etti. monopol ömründen daha fazladır. Bu durum, araştırmacıları gelecekteki deneylerin Alice halkalarının daha da tuhaf özelliklerini ortaya çıkaracağı konusunda iyimser olmaya yöneltiyor.
“Uzaktan bakıldığında Alice halkası bir tek kutup gibi görünüyor, ancak içinden baktığınızda dünya farklı bir şekil alıyor. Hall, yüzüğün ortasında” dedi.
Möttönen, “Bu perspektiften bakıldığında her şey aynalanmış gibi görünüyor, sanki yüzük madde yerine antimadde dünyasına açılan bir kapıymış gibi” diye ekledi.{4 }
Teorik olarak, Alice halkasının merkezinden geçen bir monopol, zıt yüklü bir anti-monopole dönüşecektir. Buna bağlı olarak Alice yüzüğünün yükü de değişecektir. Bu fenomen henüz deneysel olarak gözlemlenmemiş olsa da Möttönen, Alice halkalarının topolojik yapısının bu davranışı gerektirdiğini söyledi.
Ortak Araştırma Çalışmaları
Deneysel çalışma, Amherst College’da öncelikle doktora adayı Alina tarafından gerçekleştirildi. Blinova ve Hall, Möttönen ve ekibi ise eşleştirme simülasyonlarının yürütülmesinden sorumluydu. Bu şekilde iki ekip, deneysel gözlemlerin yorumunu doğrulayabildi.
Blinova, “Doktora çalışmamın finali kadar büyük bir keşfe sahip olmak gerçekten şaşırtıcı” dedi.
{ 6}Referans: Alina Blinova, Roberto Zamora-Zamora, Tuomas Ollikainen, Markus Kivioja, Mikko Möttönen ve David S. Hall, 29 Ağustos 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-40710-2
Aalto Üniversitesi’nde yürütülen simülasyonlar, CSC – BT Bilim Merkezi ve Finlandiya Araştırma Konseyi’nin desteğiyle mümkün oldu. Kuantum Teknolojisi Mükemmeliyet Merkezi ve Ulusal Bilim Vakfı’nın mali desteğiyle ABD’de yapılan deneyler.