monopôles magnétiques vu dans le laboratoire
pourrait ressembler à un monopôle magnétique synthétique cette
Un analogue d'une particule long recherchée comprenant un pôle magnétique isolé a été observé par les physiciens aux États-Unis et en Finlande. « monopôles magnétiques » ont été prédites par Paul Dirac en 1931, mais n'a jamais été vu dans la nature. Ce dernier travail ne prouve pas si oui ou non les particules inhabituelles existent, mais plutôt montre qu'un système physique décrit par les mathématiques sous-jacentes peuvent être créés dans le laboratoire. La recherche pourrait aussi aider les physiciens à acquérir une meilleure compréhension des matériaux exotiques tels que superconducteurs, et même de créer des matériaux avec des propriétés nouvelles et utiles.
Les pôles magnétiques sont toujours vus par paires, peu importe la taille de l'aimant. Un aimant de bar ordinaire se compose à la fois un nord et un pôle sud; si l'aimant est coupé en deux, puis chacune des moitiés résultantes seront également bipolaire. En fait, peu importe combien de fois l'aimant est divisé, les pôles nord et sud restent couplées - même aussi loin que des atomes individuels, qui eux-mêmes agissent comme de minuscules aimants. Cela se reflète dans les équations de Maxell, qui disent que les charges électriques positives et négatives isolées existent, mais les charges magnétiques isolées ne le font pas.
Cela a changé lorsque la mécanique quantique a été formulée au début du 20ème siècle. Dirac a montré que nécessiteraient monopôles magnétiques naturellement charge électrique à venir en unités discrètes. Cette discrétisation est vu dans la nature, mais on ne comprend pas complètement, et donc la recherche de monopôles magnétiques est un domaine de recherche actif.
Recherche haut et bas
Jusqu'à présent, les physiciens ont essayé de créer des monopôles à l'intérieur des accélérateurs de particules, mais la masse monopolaire est généralement considéré comme trop élevé pour permettre une observation, même au Grand collisionneur de hadrons du CERN. Une autre option était de rechercher des environnements vierges, comme la Lune ou de la glace de l'Antarctique, pour les signes des monopôles que les grandes théories unifiées permettent de prédire aurait été créé comme l'univers refroidi et sa symétrie initiale était cassée. Cependant, ici aussi, les chercheurs ont mis les mains vides.
L'approche de David Hall et ses collègues de Amherst College dans le Massachusetts et ses collaborateurs à l'Université Aalto en Finlande est de produire un analogue de ce qu'on appelle un « Dirac monopôle », généralisé sous forme mécanique quantique d'un monopôle magnétique mis en avant par Dirac. Avant 1931, personne ne l'avait été en mesure de combiner la mécanique classique et quantique de l'électromagnétisme pour permettre l'existence de monopôles magnétiques, mais Dirac a pu le faire en tenant compte de ce qui se passe quand un monopôle interagit avec un électron. Il a constaté que lorsqu'un monopôle passe à travers un nuage d'électrons - la répartition dans l'espace d'un seul électron tel que décrit par la mécanique quantique - il laisse un vortex dans son sillage. Ceci est une ligne de zéro densité électronique autour de laquelle la densité des spirales: « Comme tourbillonnant de l'eau comme il va dans le drain, » dit Hall.
Le groupe de Hall a reproduit ce vortex dans un condensat de Bose-Einstein d'atomes de rubidium ultrafroides. Le condensat est une onde unique de la matière et se trouve dans le nuage d'électrons dans la formulation de Dirac. Pour reproduire le monopôle, les chercheurs ont appliqué un véritable champ magnétique externe au condensat pour orienter les atomes constitutifs de telle sorte qu'elles créent un champ magnétique « synthétique » à l'intérieur du condensat. Il y a un « one-to-one correspondance » entre ce champ synthétique et le champ qui serait produit par un monopôle magnétique, explique M. Hall. « Vous pouvez dessiner exactement les mêmes lignes de champ dans le domaine synthétique et le lieu du monopôle est où les lignes de champ de printemps », dit-il.
Vortex polaire
Il va aider les physiciens des particules trouver monopôles réelles? Probablement pas, mais il devrait les encourager à continuer à chercher
Peter Holdsworth, Ecole Normale Supérieure, Lyon
Un aperçu des monopôles naturels
Hall est rapide à reconnaître les limites du travail de son groupe. « Nos monopôles ne seraient pas enregistrés par une boussole », dit-il. « Nous avons pas été en mesure de reproduire des propriétés telles que la masse de la particule dans notre expérience, mais nous avons créé un analogue de la partie magnétique. Cela pourrait donner un aperçu des monopôles naturelles. »
charge magnétique réel
Holdsworth, qui travaille sur la physique spin-glace, prend une autre vue. Il fait valoir que les systèmes spin-glace fournissent un parallèle avec monopôles naturel parce que, dit-il, « la charge il est vraiment magnétique et ils vraiment produire des champs magnétiques ».
En ce qui concerne les applications, salle estime que le travail de son groupe pourrait aider les physiciens à effectuer des simulations quantiques de la matière. Ce champ à croissance rapide, il explique, vise à comprendre les matériaux existants et, finalement, créer de nouveaux, peut-être même superconducteurs à température ambiante. simulations quantiques utilisent atomes ultrafroids pour représenter des électrons - les atomes de saut autour d'un réseau optique comme les électrons se déplacent entre les ions. « Vous avez besoin d'un champ électrique ou magnétique synthétique pour parler à ces atomes comme si elles étaient des électrons », dit Hall. « Les champs de synthèse que nous créons pourraient être utilisés pour cela. »
La recherche est rapporté dans la nature.
A propos de l'auteur
Edwin Cartlidge est un écrivain scientifique à Rome