⚛️アリスのリングとトポロジカル欠損
量子系は、理論上、トポロジカル欠陥という奇妙な物体を含むことが想定されている。
これには、紐のようなものから、中心で磁場を記述できないほど奇妙なものまで、様々な種類がある。
これらの欠陥は、作成も観察も難しいが、フィンランドのアールト大学のミッコ・メットネン教授とそのチームは、一種のトポロジカル欠陥を別のトポロジカル欠陥に変える方法を見つけた。
メットネン教授のチームは、25万個のルビジウム原子を真空の部屋に置き、レーザーを使って原子の動きを遅らせ、絶対零度近くまで冷却した。
これにより、すべての原子が1つの巨大な量子物体として振舞い、その物体は磁場に敏感になった。
彼らはコンピュータシミュレーションと数学モデルを用いて、トポロジカル欠陥を作成するために必要な磁場の方向と強さを計算した。
この手法は、過去にモノポールというトポロジカル欠陥を作成するためにも使用された。
研究者たちは作成したモノポールが数ミリ秒後にアリスリングに変化し、その電荷が場所によって異なって見える性質を持っていることを観察した。
メットネン教授のチームは、これを用いて超低温原子のトポロジカル欠陥を作成し、モノポールとアリスリングの間での通過をテストすることを目指している。
ランカスター大学のヤンネ・ルオステコスキ氏は、この方法が抽象的な数学の定理を視覚化し、これまで実験的な証拠がなかった宇宙論や高エネルギー物理学の理論を探求する新しい機会を提供すると述べた。
この解説は、モノポールと渦という物理学的な概念について説明しています。
モノポールは磁場の北極または南極のようなもので、渦は流体の回転のようなものです。これらは宇宙の広がりから超低温の気体の小さな液滴に至るまで、様々な物理系で見られる基本的なトポロジカル励起です。トポロジカル励起とは、物質の構造や性質が空間的な変化を伴って変わることです。
モノポールと渦のトポロジー、つまりその空間的な構造は、通常異なりますが、ある条件下では、モノポールが連続的に変形し、渦に変わります。
このプロセスを通じて、モノポールはその反対、つまり反モノポールに変換されるとされています。
ただし、連続場、つまり連続的に変化する物理的な場でアクセス可能なモノポールが少ないため、このアリスリングと呼ばれる現象の観測は困難です。
この研究では、希薄気体である87ルビジウムのボーズ-アインシュタイン凝縮体におけるトポロジカルモノポール欠陥が崩壊することによって生じるアリスリングの実験的な証拠が示されています。
この結果は、第一原理シミュレーション、つまり物理学の基本的な原理に基づいたコンピュータシミュレーションと一致し、モノポールと渦のトポロジカルな特性を持つ複合励起のユニークな特性を探る新しい機会を提供するものです。
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