В бозе-конденсате реализован синтетический магнитный монополь
Эксперименты с атомными бозе-конденсатами позволяют реализовывать и изучать очень необычные квантовые эффекты. В них даже можно создавать синтетическое магнитное поле — некоторую величину, которая не имеет прямого отношения к магнетизму, но описывается теми же уравнениями, что и магнитное поле. В рамках этого искусственного магнетизма исследователям удалось реализовать синтетический магнитный монополь — коллективный объект, аналога которого в настоящем магнетизме пока не открыто.
Монополь монополю рознь
Магнитный монополь — это гипотетическая частица, обладающая магнитным зарядом, словно отдельно живущий полюс магнита. По аналогии с электрическим зарядом, монополь является источником расходящегося во все стороны магнитного поля (см. иллюстрации в задаче Способности магнитного монополя). Теоретически магнитные монополи, в принципе, возможны, но необязательны, поэтому до сих пор вообще неизвестно — существуют они в природе или нет. В эксперименте такие частицы физикам пока не встречались, хотя поиски магнитных монополей ведутся почти век. Если хоть один настоящий магнитный монополь обнаружится, это будет иметь огромные последствия для современной физики.
Несмотря на такое положение дел, физики в последние годы довольно регулярно сообщают об экспериментальных исследованиях монополей. Парадокса тут никакого нет: все те объекты, про которые физики говорят, — это не новые элементарные частицы, не настоящие магнитные монополи, а некие объекты, которые в чем-то на них похожи.
Некоторые примеры таких «не вполне монополей» уже встречались в наших новостях. Например, длинная тонкая намагниченная игла создает вблизи своих концов магнитное поле, очень напоминающее поле от монополя. Вдали от концов эта аналогия нарушается, но если проводить эксперименты именно вблизи них, то можно наблюдать эффекты, аналогичные монопольным (см. рис. 7 в статье Закрученный свет и закрученные электроны: обзор последних результатов). Другой пример мы приводили в недавней новости: в спиновом льду при низких температурах электроны кристаллической решетки организуются в такую сеть, которая с точки зрения магнетизма напоминает газ из свободных магнитных монополей (см.: Разработана новая методика получения магнитных монополей в спиновом льду, «Элементы», 29.01.2014). Но эта картина работает только внутри вещества — ведь эти монополи не настоящие новые частицы, а просто особые коллективные состояния электронов. Существуют и другие примеры таких коллективных образований (см., например, статью P. Minde et al. 2013. Unwinding of a Skyrmion Lattice by Magnetic Monopoles).
На днях в журнале Nature была опубликована статья, в которой сообщается о реализации еще одного примера системы, которая в чем-то ведет себя наподобие магнитного монополя. Поскольку эта публикация всколыхнула СМИ и стала поводом для многочисленных неточных сообщений, лишний раз подчеркнем — это ни в коей мере не настоящий магнитный монополь. Утверждения СМИ (а также заявления в исходном пресс-релизе) в духе «после 80 лет поисков долгожданный монополь наконец-то обнаружен» — попросту неверные. «Тот самый» настоящий магнитный монополь, который искали и ищут, в этом эксперименте не найден; здесь речь идет лишь о создании объекта, который в каком-то смысле напоминает монополь.
Более того, можно сказать, что это еще более ненастоящий магнитный монополь, чем объекты в предыдущих примерах. Если те примеры относились, по крайней мере, к реальному магнетизму, то этот — к так называемому синтетическому магнитному полю. И это необычное понятие уже само по себе требует пояснения.
Синтетическое магнитное поле
Очень трудно объяснить без формул, что это за зверь такой — синтетическое магнитное поле. Тем не менее попробуем передать, в грубом приближении, хотя бы самую общую идею.
Для современной физики обычные электрические и магнитные поля — это не две разных «сущности», а лишь проявления единого электромагнитного поля. Главную роль в электромагнетизме играет электромагнитный вектор-потенциал, а поля — это его вторичные проявления. В частности, магнитное поле — это результат пространственной завихренности вектор-потенциала. Взаимодействие заряженных частиц с магнитным полем можно (и удобнее всего) записывать именно с помощью вектор-потенциала.
Теперь представьте себе, что у вас есть какая-то физическая система с распределенной в пространстве характеристикой. Она может не иметь вообще никакого отношения к электромагнитным процессам, но по чистой случайности может оказаться, что она подчиняется тем же уравнениям, что и вектор-потенциал. Если к тому же она обеспечивает взаимодействие с другими частицами по формулам, которые ожидаются от потенциала, то эту характеристику и называют синтетическим потенциалом. Она может иметь какое-то необычное распределение в пространстве, например завихренное, и тогда ее завихренность (а это тоже вектор) называют синтетическим магнитным полем.
Всё это, конечно, звучит слишком уж абстрактно — но в этом как раз и заключается часть правды. Синтетическое магнитное поле — это такое «нечто», которое подчиняется тем же формулам, что и настоящее магнитное поле, пусть даже оно к магнетизму не имеет отношения. Это некий математический мостик, который связывает две разные физические системы. И это хорошо: экспериментируя с этой системой, мы можем создавать какие-то необычные магнитные ситуации, которые в случае настоящего магнетизма получать затруднительно.
Физикам удалось найти подходящую систему, в которой есть синтетические магнитные поля, — это атомный бозе-конденсат, разреженное и сверххолодное облачко газа тяжелых атомов, которое находится в едином квантовом состоянии. В таком конденсате может возникнуть сверхтекучесть — способность течь без трения и остановки (см. пояснения и ссылки в новости Физики близки к созданию закрученных волн материи, «Элементы», 19.09.2013). Скорость сверхтекучего движения и является синтетическим вектор-потенциалом, а завихренность сверхтекучести — синтетическим магнитным полем.
Синтетический монополь
В принципе, связь между вращением и эффективным магнетизмом существовала давно, только в обычных ситуациях она не особо интересна. Например, вы можете придать вращение облачку бозе-конденсата вокруг вертикальной оси (подробности — в уже упоминавшейся новости). Тогда можно сказать, что появилось вертикальное синтетическое магнитное поле, но только в этой картине ничего необычного нет.
Главным достижением физиков, ставшим поводом для публикации в Nature, стало создание необычной трехмерной картины сверхтекучего движения. На рис. 1 схематично показано облачко бозе-конденсата, вращающееся в горизонтальной плоскости, в котором скорость сверхтекучего вращения (она показана цветом) зависит от местоположения. Если вычислить вектор завихренности, то окажется, что он в каждой точке смотрит прочь от центра конденсата и плавно уменьшается с удалением от него. Завихренность — это синтетическое магнитное поле (оно показано стрелками на рис. 1), и, значит, в таком неравномерно закрученном конденсате возник аналог поля, совпадающий с полем от (синтетического же) магнитного монополя.
Тот факт, что речь тут идет про сверхтекучее движение в конденсате, про некое движение того квантового состояния, в котором конденсат находится, усложняет экспериментальную реализацию. Конденсат — это не вода в стакане, его просто так не закрутишь (опять же, см. технические ухищрения, описанные в недавней новости). Получить такую неравномерную закрученность конденсата исследователям в этой работе помогло... настоящее магнитное поле.
Идея их методики проиллюстрирована на рис. 2. Вначале атомы рубидия в бозе-конденсате переводились в специальное возбужденное состояние со спином 1. В сильном внешнем магнитном поле эти спины взаимодействовали друг с другом, словно электроны в ферромагнетике, и в результате во всем облачке спины выстраивались вертикально. Затем к постоянному внешнему полю добавлялось постепенно меняющееся магнитное поле необычной формы. Это поле постепенно пододвигалось к конденсату, и спины отдельных атомов послушно выстраивались вдоль него. Заметьте — никаких необычных объектов, а тем более монополей, это поле не требовало; оно получалось с помощью хитроумной системы электромагнитных катушек.
Теперь ключевой момент. Квантовое состояние конденсата зависит от направления спина атомов. Поэтому, когда спин поворачивается в ответ на вдвигающееся поле, на конденсат локально действует закручивающая сила. Эта сила зависит от того, насколько повернулся спин атомов, поэтому в разных местах конденсата «запускается» разное вращение. Когда дополнительное поле вдвигается ровно в центр конденсата, получается картина вращения, как на рис. 1.
Для пояснения того, насколько косвенным всё же является получение синтетического монополя, полезно уточнить, что именно измерялось в эксперименте. Конечно, никто не измерял непосредственно синтетическое магнитное поле. Более того, скорость вращения конденсата тоже не измерялась напрямую. Физики измеряли лишь ориентацию спинов в разных местах конденсата и сравнивали ее с численным моделированием (рис. 3). Если нужно, то уже отсюда можно было вычислить скорость вращения, а из нее — завихренность.
И последний момент. Если полученный в этой работе синтетический магнитный монополь насколько далек от реального, так давно искомого монополя Дирака, то почему тогда авторы статьи усиленно подчеркивают связь между их объектом и дираковским монополем? Разгадка тоже кроется в формулах. Настоящий магнитный монополь в электродинамике — это не просто отдельный магнитный заряд, а магнитный заряд на конце дираковской струны (волнистая линия на рис. 1). Эта дираковская струна — это тонкая и резкая особенность вектор-потенциала, которая не влияет на магнитное поле, но которая нужна для самосогласованной электродинамики.
В других экспериментах с искусственными магнитными монополями эту струну трудно было зарегистрировать. В этой работе — благодаря тому, что синтетический потенциал можно измерить — аналог дираковской струны есть. Сравнивая экспериментальные измерения с результатом численного моделирования, исследователи убедились, что дираковская струна наличествует там, где нужно. Эта струна, а также синтетический магнитный заряд, равный дираковскому заряду, и позволил авторам заявить, что они наблюдают квантовые аспекты, ожидающиеся от дираковского монополя.
Для чего всё это нужно?
У читателя может возникнуть резонный вопрос: в чем научная ценность исследований подобного типа? Это просто эксперименты под девизом «а вот смотрите, что мы еще умеем делать с конденсатами» или же они могут пригодиться в получении какого-то еще научного или даже практического знания? Да, польза от этих экспериментов есть, но только она не сводится к «одноходовке»: конкретный эксперимент — конкретная польза. Ценностью обладает вся эта область — разнообразные манипуляции с квантовым состоянием бозе-конденсатов, — и заключается эта ценность вот в чем.
В современной физике есть огромное количество квантовых объектов — начиная от многоэлектронных атомов и молекул и заканчивая такими сложными коллективными явлениями, как высокотемпературная сверхпроводимость и дробный квантовый эффект Холла. Все эти объекты и явления можно изучать не только теоретически и экспериментально, но и попробовать их промоделировать. Под словом «моделировать» обычно понимают моделирование на компьютере. Но компьютер — это инструмент не квантовый, а классический, подчиняющийся классической физике, и он совсем не оптимизирован для моделирования квантовых эффектов. Да и квантовый компьютер с жестко заданной архитектурой тоже не слишком сильно помог бы в этой задаче.
В начале 80-х годов была высказана идея, что вместо того, чтобы пытаться в лоб рассчитывать сложные квантовые системы на обычных компьютерах, можно заставить одни квантовые системы моделировать другие. Обычно эту идею связывают со статьей Ричарда Фейнмана Simulating Physics with Computers, хотя еще раньше ее высказывал и Юрий Манин. Цель здесь — создать «универсальный квантовый симулятор», то есть устройство с множеством элементов и, самое главное, с настраиваемым взаимодействием между ними, которое само «живет» по законам квантовой механики. «Закодировав» в этом симуляторе нужную нам сложную систему, мы можем спокойно проследить, к чему приведет моделирование.
Настраиваемость тут очень важна. Например, при изучении реальной сверхпроводимости мы не можем «приказать» электронам быть другими — они такие, какие есть. Но мы можем настроить те элементы в квантовом симуляторе, которые изображают из себя эти электроны, причем так, как мы хотим. Тогда мы сможем провести моделирование много раз с разными условиями, и это поможет в конце концов разобраться с реальным явлением.
Так вот, эксперименты с бозе-конденсатами — это попытка «набить руку» в подобном квантовом моделировании. Мы умеем воздействовать на атомы и управлять их движением. Мы умеем переводить их в необычные возбужденные состояния, то есть моделировать разные квантовые объекты. Мы можем настраивать взаимодействие между ними, легко переключаясь между притяжением и отталкиванием. И вот сейчас выясняется: мы можем заставить конденсат вести себя так, словно он изображает из себя аналог магнитного поля от необычных источников. И всё это происходит в рамках совместимости с настоящей квантовой механикой.
Ну а если смотреть еще более широко, то квантовый симулятор — это пример того, как одни физические системы помогают изучать другие. Так уж устроен наш мир, что физических систем в нем огромное число, но математических законов, ими управляющих, заметно меньше. Поэтому иногда удается найти совершенно разные физические системы, в поведении которых прослеживаются поразительные математические аналогии. Примеров здесь много, и они очень разнообразны. Управление звуковыми волнами по аналогии с управлением светом, радиоинженерные аналоги черных дыр, электроны в графене как аналог ультрарелятивистских частиц, идея голографической дуальности, пронизывающая современную квантовую теория поля, и многое, многое другое. Эксперименты с бозе-конденсатами как модель других сложных квантовых систем — это еще один пункт в этом длинном списке.
Источник: M. W. Ray, E. Ruokokoski, S. Kandel, M. Mottonen, D. S. Hall. Observation of Dirac monopoles in a synthetic magnetic field // Nature. V. 505. P. 657–660 (30 January 2014).
Игорь Иванов
Источник: elementy.ru.
Рейтинг публикации:
|
Рис. 1. Облачко бозе-конденсата с необычным сверхтекучим вращением. Скорость сверхтекучего движения показана цветом, а завихренность этого вращения — стрелками. Эта завихренность и играет роль синтетического магнитного поля, которое имеет монопольный вид. Волнистая линия показывает синтетическую дираковскую струну. Изображение из обсуждаемой статьи