Tutkijat havaitsivat kvanttimonopolin tuhoutumisen
17.5.2017 19:41:36 EEST | Aalto-yliopisto | Tiedote
Tutkimus toi mukanaan yllätyksen: kvanttimekaaninen monopoli hajosi toiseksi magneettisen monopolin jäljitelmäksi. Työssä saavutettu uusi tieto monopolien dynamiikasta voi tulevaisuudessa auttaa löytämään vieläkin tarkemmin magneettisen monopolin kaltaisia rakenteita.
Magneettisilla monopoleilla on vain joko pohjois- tai etelänapa, mutta ei molempia kuten normaaleilla magneeteilla. Teoreettisesti magneettisia monopoleja on ennustettu olevan olemassa, mutta yhtään luotettavaa kokeellista havaintoa näistä alkeishiukkasista ei ole tehty. Niinpä tutkijat yrittävät kuumeisesti tehdä rakenteita, jotka jäljittelevät magneettisen monopolin ominaisuuksia mahdollisimman tarkasti.
– Vuonna 2014 toteutimme kokeellisesti niin kutsutun Diracin monopolin eli yli 80 vuotta vanhan teorian, jossa Paul Dirac alun perin kuvasi varattua kvanttimekaanista hiukkasta vuorovaikuttamassa magneettisen monopolin kanssa, sanoo professori David Hall Amherst Collegesta Yhdysvalloista.
– Ja vuonna 2015 teimme ihan oikeita kvanttimekaanisia monopoleja, lisää dosentti Mikko Möttönen Aalto-yliopistosta.
Yhtäältä kokeet Diracin monopolista mallintavat varatun hiukkasen liikettä magneettikentässä, jossa on monopoli. Toisaalta kvanttimonopolissa itsessään on pistemäinen rakenne, joka muistuttaa magneettisen monopolin rakennetta.
Kvanttimonopolista toiseksi alle sekunnissa
Nyt Mikko Möttösen ja David Hallin johtama monopoliyhteistyö on tuottanut havainnon siitä, miten yksi magneettisen monopolin jäljitelmistä muuttuu spontaanisti toiseksi alle sekunnissa
– Kuulostaa helpolta, mutta meidän piti itse asiassa parantaa mittalaitteistoa näitä kokeita varten, sanoo julkaisun pääkirjoittaja, väitöskirjaansa valmisteleva Tuomas Ollikainen, joka suoritti suurimman osan kokeista ja data-analyysistä.
Kokeiden alussa tutkijat jäähdyttävät erittäin harvan rubidiumatomeista muodostuvan kaasun lähelle absoluuttista nollapistettä, jolloin se muodostaa Bosen–Einsteinin kondensaatin. Seuraavaksi he kääntävät lasereiden avulla atomit ei-magneettiseen tilaan ja luovat ulkoisten magneettikenttien avulla systeemiin yksittäisen kvanttimonopolin. Tämän jälkeen he pitävät ulkoista magneettikenttää paikallaan ja odottavat, jolloin kondensaatti alkaa magnetoitua itsestään ulkoisen paikassa muuttuvan magneettikentän suuntaiseksi. Tämä ei-magneettisen tilan tuhoutuminen hävittää myös kvanttimonopolin, mutta synnyttää samalla Diracin monopolin.
– Hypin ilmaan, kun näin ensi kertaa Diracin monopolin syntyvän hajoamisesta. Tämä yhdistää hienosti aikaisemmat monopolihavaintomme, sanoo Möttönen.
Pidemmällä kuin Nobel-fysiikka
Kvanttimonopoli on niin kutsuttu topologinen pisterakenne eli yksittäinen piste paikassa, josta sen kaikki kenttäviivat osoittavat ulospäin. Sitä ei voi poistaa repimättä koko tilaa rikki. Tällaiset rakenteet liittyvät läheisesti vuoden 2016 fysiikan Nobel-palkintoon, joka myönnettiin muun muassa teoreettisista löydöistä kvanttimekaanisten vorteksien eli pyörteiden vaikutuksista aineen olomuodon muutoksissa.
– Vorteksiviivoja on tutkittu supranesteissä kokeellisesti jo vuosikymmeniä, monopoleja on toisaalta tutkittu kokeellisesti vain muutama vuosi, sanoo Hall.
Vaikka kvanttimonopolin topologia suojaa sitä, se voi tuhoutua, koska koko kondensaatin olomuoto muuttuu ei-magneettisesta magneettiseksi.
– Riippumatta siitä miten vahvan jääveistoksen teet, se valuu viemäriin, kun jää sulaa, sanoo Ollikainen.
Laskenta suoritettiin Tieteen tietotekniikan keskus CSC:n ja Aalto-yliopiston laitteilla, ja monopolit tehtiin Amherst Collegen fysiikan laboratorioissa Yhdysvalloissa.
Tutkimus perustuu työhön, jota on rahoitettu seuraavista lähteistä: the National Science Foundation (PHY-1519174), Suomen akatemian huippuyksikkörahoitus (251748 ja 284621) ja apuraha (308071), Euroopan tutkimusneuvoston apuraha 681311 (QUESS), Magnus Ehrnroothin säätiö, Education Network in Condensed Matter and Materials Physics, KAUTE-säätiön Tutkijat maailmalla -ohjelma.
Tutkimusartikkeli:
T. Ollikainen, K. Tiurev, A. Blinova, W. Lee, D. S. Hall ja M. Möttönen: Experimental realization of a Dirac monopole through the decay of an isolated monopole. Physical Review X 7, 021023 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevX.7.021023
Suora linkki artikkeliin
Tämä tutkimusartikkeli tulee mainita informaation lähteenä.
Valokuvat ladattavissa Aalto-yliopiston kuvapankista
Kuvia saa käyttää maksutta tähän tutkimukseen liittyvissä uutisissa.
Kvanttimonopolin teosta kertova video, 2015 (ei sisällä monopolien hajoamista)
Tiedotteen aiheesta kirjoitettu aiempi puhtaasti teoreettinen artikkeli
Kuvatekstit
Kuva 1. Taiteellinen näkemys kvanttimekaanisen monopolin hajoamisesta Diracin monopoliksi. Kuva: Heikka Valja. Huom. Painokelpoinen kuva ladattavissa Aalto-yliopiston kuvapankista (linkki yllä).
Kuva 2. Kokeellisesti otettu sivuttaiskuva kvanttimonopolista (vas.). Noin 0.2 sekunnin päästä kvanttimonopoli hajoaa Diracin monopoliksi (oik.). Eri värit kuvaavat atomien sisäisten magneettisten vapausasteiden suuntaa ja värin kirkkaus hiukkastiheyttä. Kuva: Tuomas Ollikainen.
Kuva 3. Näkymä laitteiston pääkoekammioon, jossa näkyvät monopolin sisältävän supranesteen muodostamisessa tarvittavat optiset komponentit ja magneettikentän luomiseen käytettävät käämit. Kuva: Marcus DeMaio/Amherst College.
Kuva 4. Havainnollistava kuva kvanttimonopolin luomisprosessista. Siniset nuolet osoittavat paikasta riippuvan ulkoisen magneettikentän suunnan, mikä on pyörähdyssymmetrinen z-akselin suhteen. Sininen ellipsi kuvaa kondensaattia. (a) Luomisprosessin alussa magneettikenttä osoittaa oleellisesti ylöspäin. (b) Sitten magneettikentän nollakohta (musta piste) tuodaan hitaasti kondensaatin sisälle. (c) Kun nollakohta on keskellä kondensaattia, magneettikentän liikuttaminen pysäytetään ja syntyneen kvanttimonopolin annetaan hajota spontaanisti. Kuva: Tuomas Ollikainen.
Kuva 5. Aalto-yliopistossa työskentelevät monopoliyhteistyön jäsenet vasemmalta oikealle: Konstantin Tiurev, Mikko Möttönen ja Tuomas Ollikainen. Kuva: Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto.
Kuva 6. Tuomas Ollikainen. Kuva: Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto.
Kuva 7. Mikko Möttönen. Kuva: Mikko Raskinen/Aalto-yliopisto.
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Mikko Möttönen, dosentti, tekniikan tohtori
Aalto-yliopisto, teknillisen fysiikan laitos
p. 050 594 0950
mikko.mottonen@aalto.fi
http://physics.aalto.fi/en/groups/qcd/
David S. Hall, professori
Amherst College, USA
p. +1 413 542 2072 (aikavyöhyke: GMT -5)
dshall@amherst.edu
http://www3.amherst.edu/~halllab/
Tuomas Ollikainen, diplomi-insinööri
Aalto-yliopisto, teknillisen fysiikan laitos
tuomas.ollikainen@aalto.fi
p. 050 435 4066
http://physics.aalto.fi/en/groups/qcd/
Kuvat
Linkit
Tietoja julkaisijasta
Aalto-yliopistossa tiede ja taide kohtaavat tekniikan ja talouden. Rakennamme kestävää tulevaisuutta saavuttamalla läpimurtoja avainalueillamme ja niiden yhtymäkohdissa. Samalla innostamme tulevaisuuden muutoksentekijöitä ja luomme ratkaisuja maailman suuriin haasteisiin. Yliopistoyhteisöömme kuuluu 16 000 opiskelijaa ja 5 200 työntekijää, joista 446 on professoreita. Kampuksemme sijaitsee Espoon Otaniemessä.
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Aalto-yliopisto
Pohjoisen pallonpuoliskon suot muuttuvat: Satelliittitutkimus paljastaa selviä alueellisia eroja21.10.2026 08:45:00 EEST | Tiedote
Yli 20 vuoden satelliittiseuranta osoittaa, että kasvillisuus on vihertynyt 77 prosentilla pohjoisen pallonpuoliskon suoalueista. Monilla alueilla vihertyminen on kuitenkin kääntynyt sittemmin laskuun. Muutoksia selittävät etenkin kosteusolot, puusto ja pitkän aikavälin ilmastovaihtelu.
Ennakkoluulot ovat monimutkaisempia kuin stereotypiat antavat ymmärtää9.10.2026 08:56:24 EEST | Tiedote
Uusi aivotutkimus osoittaa, että ensi kertaa tavatun ihmisen herättämät tunteet riippuvat paitsi siitä, koetaanko hänet omaan vai toiseen ryhmään kuuluvaksi, myös hänen tunnetilastaan ja etäisyydestään katsojaan. Ryhmien väliset erot tunteissa tulevat esiin erityisesti, kun toiseen ryhmään kuuluva ihminen tulee lähelle katsojaa.
Tutkimus selvitti pk-yritysten kansainvälistymisen sudenkuoppia – näin vältetään ulkoisen rahoituksen ”kultainen häkki”7.10.2026 09:55:00 EEST | Tiedote
Valtiollinen tuki voi vauhdittaa pk-yrityksen kansainvälistymistä, mutta se voi myös hidastaa prosessia tai aiheuttaa merkittävää vahinkoa. Uuden tutkimuksen mukaan ratkaisevaa on, kuinka paljon päätösvaltaa yrityksen johdolle jää ja kuinka hyvin tarjottu tuki vastaa yrityksen tarpeisiin. Hyvä uutinen on, että johtajat voivat omilla toimillaan merkittävästi vaikuttaa lopputulokseen.
Energiatehokkuus vaikuttaa jo asuntolainaasi – seuraavaksi katse kääntyy ilmastoriskeihin30.9.2026 07:55:00 EEST | Tiedote
Tuoreen tutkimuksen mukaan kiinteistön energialuokalla on jo nyt vaikutusta asuntolainapäätökseen. Hyvä energialuokka voi oikeuttaa vihreään lainaan tai muihin etuihin, kun taas heikko energialuokka voi tehdä kohteesta pankin silmissä rahoituskelvottoman. Tulevaisuudessa lainapäätökseen voivat vaikuttaa myös esimerkiksi tulva- ja muut ilmastoriskit.
Pitsinnypläyksellä voidaan valmistaa muotoaan muuttavia tekstiilirakenteita28.9.2026 13:30:00 EEST | Tiedote
Tutkijat ovat kehittäneet pitsinnypläykseen perustuvia tekstiilirakenteita, jotka voivat muuttaa muotoaan ympäristön muutosten seurauksena. Tutkimuksessa yhdistyvät perinteinen käsityötekniikka, aktiiviset materiaalit ja tietokonemallinnus.
Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.
Tutustu uutishuoneeseemme