Odkrili magnetni 'monopol'

Raziskovalci z Amherst Collegea v Massachusettsu so ustvarili izoliran severni magnetni pol ali monopol. Uporabili so približno milijon ultrahladnih rubidijevih atomov s temperaturo nekaj deset nanokelvinov, s katerimi so simulirali magnetni monopol. Članek je bil danes objavljen v Nature.

Med magnetnim in električnim nabojem je nenavadna razlika, ki jo poučujemo že v srednjih šolah. Če magnet razlomimo, ne dobimo severnega in južnega magnetnega pola (ali monopola), ampak dva magneta z obema poloma. Električni naboj po drugi strani lahko ločimo, saj atomu zlahka odkrhnemo elektron in govorimo o pozitivnih in negativnih električnih nabojih. Ta asimetrija med električnim in magnetnim poljem ni elegantna, zato se postavlja vprašanja. Ali obstajajo magnetni monopoli?

V fiziki ni nobenega fundamentalnega razloga, zakaj magnetni monopoli ne bi mogli obstajati, razen preprostega dejstva, da jih pač še nismo opazili. Paul Dirac se je zato že leta 1931 vprašal, ali je to nujno tako in predvidel obstoj magnetnih monopolov. (Dirac je bil zelo zanimiv možakar.) Do danes jih še nismo odkrili, čeprav imamo nekaj dobrih poizkusov in indicev. Bi pa magnetni monopoli pojasnili nekaj fenomenov, med drugim zakaj je električni naboj kvantiziran. Tudi nekatere teorije vesolja predvidevajo, da je takoj po velikem poku nastalo veliko magnetnih monopolov, pri čemer ni nikomur jasno, kam bi bili lahko šli. Vesolje je seveda veliko in mogoče je, da so tako redki, da jih v naši okolici pač (skoraj) ni.

So torej Američani našli izgubljeni delec, fizikalni sveti gral, magnetni monopol? Pravzaprav ne čisto. Namesto da bi ga poiskali, kar neuspešno počno tudi številni drugi že dolga desetletja, so ga simulirali. Kvantne simulacije delujejo podobno kot simulacije v računalnikih, le da imamo opraviti z zelo hladnimi atomi. Raziskovalci so vzeli približno milijon rubidijevih atomov in jih ohladili na 100 nK. Pri tako nizki temperaturi dobimo posebno stanje snovi, ki mu pravimo Bose-Einsteinov kondenzat. V tem stanju skoraj vsi bozoni zasedejo isto kvantno stanje, zaradi česar so kvantni efekti vidni tudi na makroskopskem nivoju.

Raziskovalci so postopali približno takole. Ohlajeno množico rubidijevih atomov v Bose-Einsteinovem kondenzatu so izpostavili zaporedju ustrezno spreminjajočega zunanjega magnetnega polja. Teoretični izračuni so namreč kazali, da bi na ta način lahko ustvarili sintetični magnetni monopol, saj magnetnega polja ne ustvarjajo spini sami po sebi, ampak njihova vrtinčnost (vorticity). To je jim je tudi uspelo, in na robovih majhnih vrtincev v kondenzatu so našli magnetne monopole. Pri tem je treba poudariti, da ne gre za klasične monopole, saj igla kompasa ne bi kazala proti njim; dovolj je bilo, da sistem opisujejo iste enačbe, kot bi magnetni monopol. Zato govorimo o kvantni simulaciji.

Če povzamemo. Delcev, ki so magnetni monopoli (torej magnetnega ekvivalenta elektrona), niso našli. Ustvarili so kvantni sistem, ki se vede enako, kot bi se Diracov magnetni monopol. Na ta način so dokazali Diracova predvidevanja in dali nov veter v jadra iskanju dejanskega magnetnega monopola.

Seveda to ni prvikrat, ko se pogovarjamo o magnetnih monopolih. Že leta 2009 so znanstveniki opazili nekaj podobnega magnetnim monopolom v kristaliničnem materialu pri skoraj absolutni ničli, a jih niso mogli študirati posamezno. Tedaj je bilo mnenje znanstvene srenje še nekoliko bolj skeptično, kot je to pot.