Magnetische Monopole im Labor gesehen
Ein synthetisches magnetisches Monopol könnte wie folgt aussehen
Ein Analogon eines Lang gefragte Teilchen einen isolierten Magnetpol umfasst ist durch Physiker in den USA und in Finnland beobachtet. „Magnetische Monopole“ wurden im Jahr 1931 von Paul Dirac vorhergesagt, aber noch nie in der Natur gesehen. Das neueste Werk nicht beweisen, ob die ungewöhnlichen Teilchen existieren, vielmehr zeigt es, dass ein physikalisches System durch die zugrunde liegende Mathematik beschrieben ist, kann im Labor erstellt werden. Die Forschung könnte auch Physiker helfen, ein besseres Verständnis von exotischen Materialien wie Supraleitern zu gewinnen, und selbst erstellen Materialien mit neuen und nützlichen Eigenschaften.
Magnetpole sind immer paarweise zu sehen, egal wie klein der Magnet. Ein gewöhnlicher Stabmagneten besteht sowohl aus einem Nord- und einem Südpol; wenn der Magnet in zwei Teile geschnitten wird, wird jeder der sich ergebenden Hälften auch bipolar sein. In der Tat, egal wie oft der Magnet geteilt ist, bleiben die Nord- und Südpole gekoppelt - sogar so weit unten wie einzelne Atome, die sich wie winzige Magnete wirken. Dies wird in Maxell Gleichungen wider, die sagen, dass isolierte positive und negative elektrische Ladungen existieren aber isolierte magnetische Ladungen nicht.
Dies änderte sich, als die Quantenmechanik in den Anfang des 20. Jahrhunderts formuliert wurde. Dirac zeigte, dass natürlich vorkommende magnetische Monopole elektrische Ladung in diskreten Einheiten zu kommen, erfordern würden. Diese Diskontinuität ist in der Natur gesehen, aber nicht vollständig verstanden wird, und daher die Suche nach magnetischen Monopolen ist ein aktives Forschungsgebiet.
Suche hoch und niedrig
Bisher haben die Physiker versuchten Monopole innerhalb Teilchenbeschleuniger zu schaffen, aber die Monopol Masse wird allgemein als zu hoch einer Sichtung zu ermöglichen, auch bei CERN Large Hadron Collider. Eine weitere Option war ursprünglich Umgebungen, wie der Mond oder antarktischen Eis zu suchen, auf Anzeichen von den Monopolen, die große vereinheitlichte Theorien vorhersagen sollte geschaffen wurden als das Universum abgekühlt und seine ursprüngliche Symmetrie war gebrochen. Aber auch hier haben die Forscher kamen mit leeren Händen.
Der Ansatz von David Hall und Kollegen am Amherst College in Massachusetts und Mitarbeiter an Aalto-Universität in Finnland ist ein Analogon von zu produzieren, was als „Dirac Monopol-“ bekannt ist, der verallgemeinerten quantenmechanische Form eines magnetischen Monopols von Dirac vorbringen. Vor 1931 hatte niemand in der Lage gewesen klassischen Elektromagnetismus und die Quantenmechanik zu kombinieren, um die Existenz von magnetischen Monopolen zu erlauben, aber Dirac konnte dies tun, indem man bedenkt, was passiert, wenn ein Monopol mit einem Elektron in Wechselwirkung tritt. Er fand heraus, dass, wenn ein Monopol durch eine Elektronenwolke geht - die Verteilung im Raum eines einzelnen Elektrons, wie durch die Quantenmechanik beschrieben - es einen Wirbel in seiner Spur verläßt. Dies ist eine Zeile von Null Elektronendichte, um die sich die Dichte Spiralen: „Wie Wasser wirbelnden, wie es der Ablaufgeht“, sagt Hall.
Hall-Gruppe hat diesen Wirbel in einem Bose-Einstein-Kondensat aus ultrakalten Rubidium-Atom wiedergegeben. Das Kondensat ist eine einzelne Materiewelle und steht für die Elektronenwolke in Diracs Formulierung. Um die Monopol- zu reproduzieren, angewendet die Forscher eine echte, externe Magnetfeld an das Kondensat die konstituierenden Atome so zu orientieren, dass sie einen „synthetischen“ Magnetfeld im Inneren des Kondensats schaffen. Es gibt eine „Eins-zu-Eins-Beziehung“ zwischen dem synthetischen Feld und dem Feld, das durch einen magnetischen Monopol erzeugt werden würde, Halle erklärt. „Man könnte ziehen genau die gleichen Feldlinien in dem synthetischen Feld und der Ort des Monopols ist, wo diese Feldlinien vom Frühling“, sagt er.
Polarwirbel
Wird es Teilchenphysiker finden echte Monopolen helfen? Wahrscheinlich nicht, aber es sollte, sie zu halten zu fördern suchen
Peter Holdsworth, Ecole Normale Supérieure in Lyon
Einblick in natürliche Monopole
Hall ist schnell an die Grenzen seiner Gruppe der Arbeit anzuerkennen. „Unsere Monopole würden nicht von einem Kompass registriert werden“, sagt er. „Wir haben nicht vermocht, Eigenschaften zu reproduzieren, wie die Masse des Teilchens in unserem Experiment, aber wir haben einen Analogon des magnetischen Teils geschaffen. Das könnte einen Einblick in natürliche Monopole bieten.“
Real magnetische Ladung
Holdsworth, der auf Spin-Eis Physik arbeitet, nimmt eine andere Ansicht. Er argumentiert, dass die Spin-Eis-Systeme eine starke parallel mit natürlichen Monopolen liefern, weil, wie er sagt, „die Ladung dort wirklich magnetisch ist und sie produzieren wirklich Magnetfelder“.
Soweit Anwendungen betroffen sind, glaubt Halle, dass die Arbeit seiner Gruppe Physiker helfen könnten Quantensimulationen von Materie durchzuführen. Dieser schnell wachsende Markt, erklärt er, zielt darauf ab, vorhandene Materialien zu verstehen und letztlich neue zu schaffen, vielleicht sogar Raumtemperatur-Supraleiter. Quanten Simulationen verwendet ultrakalten Atomen Elektronen darstellen - die Atom um ein optisches Gitter springen ebenso Elektronen zwischen Ionen bewegen. „Sie brauchen ein synthetisches elektrisches oder magnetisches Feld an diese Atome zu sprechen, als ob sie Elektronen waren“, sagt Hall. „Die synthetischen Felder, die wir schaffen können dafür verwendet werden.“
Die Forschung ist in Nature berichtet.
Über den Autor
Edwin Cartlidge ist Wissenschaftsjournalist in Rom