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量子單極子的衰變

美國阿默斯特學院和芬蘭阿爾託大學的研究者首次在實驗中觀測到了量子物質中孤立單極子的演化。


這一新研究展示了一個驚人的發現:量子單極子會衰變為另一種模擬磁單極子。實驗中得到的對單極子機制的基礎理解將有助於在未來創造磁單極子的更近似的模擬物。


不同於通常的磁體,磁單極子是一種只具有南磁極或者北磁極的基本粒子。理論上預測這種磁單極子是存在的,但並沒有什麼令人信服的實驗觀測。因此物理學家們轉而尋找類似的物質。

阿默斯特學院的David Hall教授說道,在2014年,他們實驗實現了狄拉克單極子,即保羅·狄拉克80年前提出的理論,最初認為帶電量子粒子與磁單極子相互作用。


量子單極子的衰變
左圖所示量子單極子在0.2s後衰變為右圖所示的狄拉克單極子。不同的顏色表示原子內部磁性狀態的方向,亮度則對應粒子密度。credit: 煎蛋畫師六翼


阿爾託大學的Mikko M?tt?nen博士補充道,在2015年,他們創造了真正的量子單極子。


雖然狄拉克單極子實驗模擬了單極磁場鄰域中帶電粒子的運動,量子單極子則在自身場域中具有點狀結構,類似於磁單極子粒子的性質。

在1秒內從一種量子單極子到另一種


而今,David Hall和Mikko M?tt?nen領導的單極子合作實驗觀測到其中一種磁單極子模擬物如何在1秒內自發轉換到另一種。


論文第一作者Tuomas Ollikainen說道:「這聽起來容易,但我們需要改進儀器才能令其發生。」


研究者首先將極度稀薄的銣原子氣體冷卻到幾近絕對零度,在此溫度下形成玻色-愛因斯坦凝聚物。隨後,研究者令系統處於無磁狀態,將外部磁場零點施加到凝聚物中,創造孤立的量子單極子。然後保持零點,等待系統逐漸被磁化。最後量子單極子就會毀壞,產生狄拉克單極子。


M?tt?nen博士說道:「當我第一次看到從衰變中得到了狄拉克單極子時,我都跳起來了。這一發現將我們這些年製造的單極子很好地聯繫到了一起。」

諾貝爾獎的關係


量子單極子是所謂的拓撲點缺陷,即非磁化狀態的凝聚物空間中的單點被一種結構包圍,無法被連續構形所移除。這種結構與2016年的物理學諾貝爾獎有關。去年的這一獎項部分是由於發現了涉及量子漩渦的拓撲相轉移。


Hall教授解釋道:「在超流體領域中,已經通過實驗研究旋渦線數十年了。而單極子的實驗研究才幾年而已。」


量子單極子的衰變
量子單極子轉變為狄拉克單極子的另一種情況。credit: 煎蛋畫師六翼


雖然量子單極子的幾何結構有一定的保護作用,但物質整體的相位從無磁轉換為有磁過程中,量子單極子還是會衰變。

Ollikainen比喻道:「不管你做的冰雕有多麼結實,但如果冰化掉了,還是會付之流水。」


M?tt?nen說道:「這是首次觀測到狄拉克單極子和相關旋渦線的自發產生。」


論文原文: DOI:10.1103/PhysRevX.7.021023


本文譯自 phys,由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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