Τα λογοτεχνικά έργα του Λιούις Κάρολ και οι πολύπλοκες μηχανορραφίες της κβαντικής φυσικής σπάνια διασταυρώνονται - αλλά όταν το κάνουν, είναι τόσο ψυχοφθόρο όσο ακούγεται.
Τον περασμένο μήνα, επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Aalto στη Φινλανδία και το Amherst College στη Μασαχουσέτη δημιούργησαν ένα παράξενο κβαντικό αντικείμενο γνωστό ως «δαχτυλίδι της Αλίκης», αναφέρει το Popular Mechanics.
Ένας φόρος τιμής στον ομώνυμο χαρακτήρα του Κάρολ στο βιβλίο «Οι Περιπέτειες της Αλίκης στη Χώρα των Θαυμάτων», το όνομα είναι εύστοχο.
Αυτό το διασπασμένο μονόπολο - ένα σωματίδιο με μόνο έναν μαγνητικό πόλο - ανοίγει έναν «δακτύλιο δίνης» που αναστρέφει το μαγνητικό φορτίο οποιουδήποτε άλλου μονοπόλου που διέρχεται από το κέντρο του, δημιουργώντας ένα «αντι-μονόπολο». Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν την Τρίτη (17/10) στο περιοδικό Nature Communications.
«Τα μονόπολα και οι δίνες είναι θεμελιώδεις τοπολογικές διεγέρσεις που εμφανίζονται σε φυσικά συστήματα που εκτείνονται σε τεράστιες κλίμακες μεγέθους και ενέργειας, από την απεραντοσύνη του πρώιμου σύμπαντος μέχρι μικροσκοπικά εργαστηριακά σταγονίδια νηματικών υγρών κρυστάλλων και υπέρψυχρων αερίων», αναφέρει η μελέτη.
«Αν και οι τοπολογίες των δινών και των μονοπόλων είναι διαφορετικές μεταξύ τους, υπό ορισμένες συνθήκες ένα μονόπολο μπορεί αυθόρμητα και συνεχώς να παραμορφωθεί σε δακτύλιο δίνης με την περίεργη ιδιότητα ότι τα μονόπολα που διέρχονται από αυτό μετατρέπονται σε αντι-μονόπολα».
Υπάρχουν δύο τύποι φαινομένων που ονομάζονται «μονόπολα» που επιπλέουν στον κόσμο της φυσικής. Υπάρχουν μαγνητικά μονόπολα, που θεωρητικοποιήθηκαν για πρώτη φορά από τον Άγγλο φυσικό Πολ Ντιράκ στη δεκαετία του 1930. Εξακολουθούν να παραμένουν ένα υποθετικό στοιχειώδες σωματίδιο, παρά τον έναν αιώνα αναζήτησης (συμπεριλαμβανομένων μεγάλων έργων στο CERN).
Στη συνέχεια, υπάρχουν τοπολογικά μονόπολα, τα οποία προέρχονται από κβαντικά πεδία δημιουργώντας έναν μονόπλευρο μαγνητισμό που θυμίζει μονόπολα. Ο Möttönen, μαζί με τον συνάδελφό του David Hall, δημιούργησαν τοπολογικά μονόπολα τοποθετώντας 250.000 άτομα ρουβιδίου σε θάλαμο κενού, βομβαρδίζοντάς τα με λέιζερ για να επιβραδύνουν την κίνησή τους και βυθίζοντας τις θερμοκρασίες σχεδόν στο απόλυτο μηδέν για να δημιουργήσουν αυτό που είναι γνωστό ως συμπύκνωμα Bose-Einstein. Μόλις βρεθούν σε αυτή την εξαιρετικά ψυχρή κατάσταση, τα άτομα ενήργησαν ως ένα κβαντικό αντικείμενο
Λόγω μιας κβαντικής ιδιότητας γνωστής ως σπιν (όπου το σπιν των υποατομικών σωματιδίων αλληλεπιδρά με μαγνητικά πεδία και παράγει ροπή), οι Möttönen και Hall χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις υπολογιστών και μαθηματικά μοντέλα για να εφαρμόσουν τη σωστή ποσότητα μαγνητικής δύναμης για να παράγουν το ελάττωμα, αλλιώς γνωστό ως τοπολογικά μονόπολα.
«Οι Περιπέτειες της Αλίκης στη Χώρα των Θαυμάτων» είναι αρκετά μεγάλη για να γεμίσει τις σελίδες δύο ολόκληρων μυθιστορημάτων, αλλά αυτά τα κβαντικά ελαττώματα είναι απίστευτα βραχύβια και διαρκούν μόνο λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου. Ο Möttönen συγκρίνει τα τοπολογικά μονόπολα με ένα αυγό που παραπαίει στην κορυφή ενός λόφου - οποιαδήποτε μικρή διαταραχή, όπως ο ήχος, μπορεί να προκαλέσει το μονόπολο να αρχίσει να αποσυντίθεται σε δακτύλιο της Αλίκης. Αλλά σε αντίθεση με τα μονόπολα, οι δακτύλιοι της Αλίκης έχουν την ικανότητα να διαρκούν 80 χιλιοστά του δευτερολέπτου - περίπου 20 φορές περισσότερο από το ίδιο το μονόπολο.
«Από απόσταση, το δαχτυλίδι της Αλίκης μοιάζει με μονόπολο, αλλά ο κόσμος παίρνει διαφορετικό σχήμα όταν κοιτάζει μέσα από το κέντρο του δαχτυλιδιού», δήλωσε ο Hall σε δήλωση τύπου.
«Είναι από αυτή την προοπτική που όλα φαίνεται να αντικατοπτρίζονται, σαν ο δακτύλιος να ήταν μια πύλη σε έναν κόσμο αντιύλης αντί για ύλη», πρόσθεσε ο Möttönen. «Αυτή ήταν η πρώτη φορά που η συνεργασία μας μπόρεσε να δημιουργήσει δαχτυλίδια Alice στη φύση, κάτι που ήταν ένα μνημειώδες επίτευγμα».
Το επόμενο βήμα για τον Möttönen, τον Hall και την υπόλοιπη ομάδα είναι να στείλουν πειραματικά μονόπολα μέσα από το δαχτυλίδι για να παρακολουθήσουν αυτή την αντιστροφή από πρώτο χέρι, ενώ παράλληλα διερευνούν τις εφαρμογές της στην κοσμολογία και τη φυσική υψηλών ενεργειών.