Ανακαλύφθηκε εναλλακτικός τρόπος που ανοίγει νέες δυνατότητες για τη μελέτη μαγνητικών μονοπόλων

Σημαντική προσπάθεια καταβλήθηκε για τη δημιουργία των αναζητούμενων μαγνητικών μονοπόλων. Τώρα οι επιστήμονες τα βρήκαν σε ένα απρόσμενο μέρος και ανακάλυψαν ότι υπήρχαν για πολύ καιρό.

Η εκπληκτική ομοιότητα μεταξύ των φυσικών νόμων που περιγράφουν τα ηλεκτρικά φαινόμενα και αυτών που περιγράφουν τα μαγνητικά φαινόμενα ήταν γνωστή από τον 19ο αιώνα. Ωστόσο, έλλειπε ένα κομμάτι που θα έκανε τα δυο, τέλεια συμμετρικά: τα μαγνητικά μονόπολα. Ενώ τα μαγνητικά μονόπολα με τη μορφή των στοιχειωδών σωμάτιων παραμένουν ασύλληπτα, υπήρξαν ορισμένες πρόσφατες επιτυχίες σε τεχνητά αντικείμενα που συμπεριφέρονται αποτελεσματικά όπως τα μαγνητικά μονόπολα. Τώρα, επιστήμονες στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας στην Αυστρία (IST Austria) έδειξαν ότι υπάρχει ένα πολύ απλούστερος τρόπος να παρατηρήσουν τέτοια μαγνητικά μονόπολα: έχουν επιδείξει ότι σταγόνες υπέρρευστου ήλιου λειτουργούν, από την προοπτική των μορίων που είναι βυθισμένα μέσα σε αυτές, όπως τα μαγνητικά μονόπολα. Τέτοιες σταγόνες μελετήθηκαν για δεκαετίες, όμως μέχρι τώρα, το συναρπαστικό αυτό χαρακτηριστικό είχε περάσει τελείως απαρατήρητο.

Όταν εργαζόμαστε με το ηλεκτρικό φορτίο, είναι εύκολο να διαχωριστούν ο θετικός και ο αρνητικός πόλος: το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο αντιπροσωπεύει έναν αρνητικό πόλο, το θετικά φορτισμένο πρωτόνιο είναι ο αντίθετος (θετικός) πόλος και κάθε ένα από αυτά είναι ένα ξεχωριστό σωματίδιο που μπορεί να διαχωριστεί από το άλλο. Με τους μαγνήτες, φαινόταν ότι πάντα έχουν δυο πόλους που είναι αδύνατο να διαχωριστούν: κόβεις ένα δίπολο μαγνήτη στη μέση και θα καταλήξεις με δυο δίπολα μαγνήτες, όμως δεν θα μπορείς να διαχωρίσεις τον βόρειο πόλο από τον νότιο πόλο. Προκαλούμενοι από αυτό το αίνιγμα, οι επιστήμονες κατέβαλαν μεγάλη προσπάθεια για την κατασκευή συστημάτων που να λειτουργούν αποτελεσματικά ως μαγνητικά μονόπολα – με επιτυχία: ορισμένες κρυσταλλικές δομές που έγιναν, συμπεριφέρονται όπως τα μαγνητικά μονόπολα. Όμως τώρα, μια διεπιστημονική ομάδα συγκροτούμενη από θεωρητικούς φυσικούς και έναν μαθηματικό ανακάλυψαν ότι αυτό το φαινόμενο συμβαίνει επίσης σε μοριακά συστήματα που δεν χρειάζεται να κατασκευαστούν για αυτό το σκοπό, αλλά που είναι γνωστά για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Μεγέθους νανομέτρου σταγόνες υπέρρευστου ήλιου, με μόρια βυθισμένα σε αυτές, μελετήθηκαν ήδη για αρκετές δεκαετίες και είναι ένα από τα συστήματα για τα οποία ο Καθηγητής Mikhail Lemeshko και ο μεταδιδακτορικός Enderalp Yakaboylu έχουν ιδιαιτέρως ενδιαφερθεί. Προηγουμένως, ο Καθηγητής Lemeshko πρότεινε ένα νέο οιονεί σωμάτιο που απλοποιούσε δραστικά τη μαθηματική περιγραφή τέτοιων περιστρεφόμενων μορίων και νωρίτερα αυτή τη χρονιά έδειξε ότι αυτό το οιονεί σωμάτιο, το angulon, μπορεί να εξηγήσει παρατηρήσεις που συλλέχθηκαν για πάνω από 20 χρόνια. Ο Enderalp Yakaboylu, επιπλέον, χρησιμοποίησε το angulon για να προβλέψει άγνωστες προηγουμένως ιδιότητες αυτών των συστημάτων. Η ιδιότητα στις σταγόνες υπέρρευστου ήλιου που ανακαλύφθηκε τώρα, προέκυψε αναπάντεχα και μόνο μετά αφού είχε ανταλλάξει σκέψεις με το μαθηματικό Andreas Deuchert, ο οποίος λέει: «ήταν μια έκπληξη για όλους εμάς να δούμε αυτό το χαρακτηριστικό να αναδύεται στις εξισώσεις». Σε ένα έντονα διεπιστημονικό ινστιτούτο όπως το IST Austria, τέτοιες συνεργασίες δεν είναι ασυνήθιστες και αλληλεπιδράσεις μεταξύ ερευνητικών ομάδων διαφορετικών πεδίων, ενθαρρύνονται.

«Στα άλλα πειράματα κατασκεύασαν ένα σύστημα για να γίνει ένα μονόπολο. Εδώ, είναι ο αντίστροφος δρόμος», προσθέτει ο Enderalp Yakaboylu. «Το σύστημα ήταν πολύ γνωστό. Διάφοροι έχουν μελετήσει περιστρεφόμενα μόρια για μακρύ χρονικό διάστημα και μόνο μετά συνειδητοποιήσαμε ότι τα μαγνητικά μονόπολα ήταν εκεί όλη την ώρα. Αυτή είναι μια τελείως διαφορετική οπτική γωνία».

Σύμφωνα με τους ερευνητές, η ανακάλυψη ανοίγει νέες δυνατότητες για τη μελέτη μαγνητικών μονοπόλων. Ιδιαιτέρως, η εμφάνιση μαγνητικού μονοπόλου σε σταγόνες υπέρρευστου ήλιου είναι πολύ διαφορετική από άλλα, που μελετήθηκαν προηγουμένως, συστήματα. «Η διαφορά είναι ότι αντιμετωπίζουμε ένα χημικό διαλύτη. Τα μαγνητικά μονόπολά μας σχηματίζονται σε ένα ρευστό μάλλον παρά σε ένα στερεό κρύσταλλο και μπορείς να χρησιμοποιήσεις το σύστημα αυτό για να μελετήσεις μαγνητικά μονόπολα πιο εύκολα», εξηγεί ο Καθηγητής Mikhail Lemeshko.

Πηγή: IST Austria

Περισσότερα στη δημοσίευση: Emergence of Non-Abelian Magnetic Monopoles in a Quantum Impurity Problem. Physical Review Letters.