I fisici teorici hanno predetto che dovrebbe essere possibile per i nodi a forma quantistica dei campi per decenni, ma nessuno riusciva a capire come realizzare questa impresa sperimentalmente. Ora un team internazionale è riuscito a fare, e legare i nodi in un superfluido per la prima volta attraverso la manipolazione di campi magnetici.
Condotto da David Hall, un fisico presso l’Amherst College, e Mikko Möttönen di Aalto University in Finlandia, il gruppo descrive il loro evento rivoluzionario in una nuova carta di Natura Fisica. È difficile visualizzare questi oggetti esotici, ma sono essenzialmente di particelle come gli anelli o i passanti in un campo quantico collegati tra loro esattamente una volta. Un matematico potrebbe non prendere in considerazione queste strutture per essere vero nodi; in genere un nodo è definito come un fazzoletto annodato cerchio, come un pretzel, mentre una banda di gomma sarebbe considerato una “non-nodo.” Hall e Möttönen preferisco pensare a loro strutture come nodoso solitoni.
E che cosa è un solitone, si può chiedere? C’è un certo tipo di onda viaggiante che continua a rotolare in avanti a velocità costante e senza perdere la sua forma. Che è un solitone, e tali oggetti mostrano anche in teoria quantistica dei campi. Come ho scritto in un 2014 articolo per Quanta, “Poke un campo quantico e si crea un’oscillazione [wave] che di solito si disperde verso l’esterno, ma configurare le cose nella maniera giusta e che l’oscillazione di mantenere la sua forma” — proprio come un’onda viaggiante.
Möttönen leggere le previsioni teoriche della fisica quantistica, nodi, e sono incuriosito dalla possibilità. Dopo un paio di matita e carta calcoli, corse simulazioni al computer per dimostrare che cosa cercare nei dati sperimentali, e in coppia con Hall del gruppo di ricerca presso Amherst per verificare le sue scoperte.
David Hall (l) e Michael Ray (r) con il loro setup sperimentale in Amherst laboratorio. Credito: Marcus DeMaio/Amherst College.
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Prima, avevano bisogno di un mezzo — in questo caso uno stato quantistico della materia noto come Bose-Einstein di Condensa (BEC). A temperature normali, gli atomi si comportano un po ‘ come palle da biliardo, rimbalzano l’un l’altro e di eventuali muri di contenimento. Ma se più lentamente, come si abbassa la temperatura. Ottenere la temperatura di miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto, e gli atomi sono così densamente, cominciano a perdere la loro identità di un individuo. Si finisce con un ultra freddo campione della fisica quantistica, la materia.
I fisici hanno creato la prima Figura nel 1995, 70 anni dopo la loro prima previsto, ma una volta capito il trucco, e che non aveva il diritto di tecnologia — fare BECs diventato una routine. “Ora è come si starnutisce e un BEC viene fuori”, ha detto Hall. Più specificamente, il quantum della materia in Amherst/Aalto esperimenti è un superfluido, dal momento che i flussi non viscosità.
Il passo successivo è stato proprio quello di legare i nodi via di abili manipolazioni di campi magnetici. Superfluido campione dispone di un campo quantico, meglio concepito come una serie di punti nello spazio, ognuno con uno specifico orientamento. Pensare a un mazzo di frecce verso l’alto, per esempio — che è lo stato iniziale di superfluido. Quando un nodo forme, ha un core, sostanzialmente, un cerchio di punti in cui le frecce rivolte verso il basso. Sala confronta con l’occhio di dio filato modello. “Se si è seguita la linea di campo magnetico, sarebbe andare verso il centro, ma all’ultimo minuto sarebbe buccia di distanza in direzione perpendicolare,” ha detto. “E ‘ un modo particolare per la rotazione di queste frecce che ti dà questa configurazione collegata.”
Il setup sperimentale è stata così delicato, che una volta che il processo è iniziato, anche il bagno pause verboten, come Möttönen scoperto a suo detrimento, durante una delle sue visite al laboratorio. Il minimo movimento di qualsiasi oggetto metallico, come una sedia da ufficio — potrebbe disturbare il campo magnetico e mantenere i nodi da formare. “Ci siamo limitati da fuori capacità di mantenere la nostra attenzione, il” Salone”, ha ammesso. “Dopo un’ora di questo, la tua schiena ti uccide.”
Ma tutti gli sforzi e dolori effettua pagato alla fine. “Abbiamo iniziato con assolutamente nulla, di lavoro e abbiamo lavorato per più di un anno prima abbiamo ottenuto risultati,” ha detto Möttönen. Dal momento in cui erano fatto, “e ‘ stata solo la corrispondenza uno a uno con le simulazioni.” Il gruppo ha ottenuto molto più abili a torsione nodi in campi quantistici da allora, anche riuscendo a prendere il film dei nodi che fanno.
Quantum nodi in un superfluido. Credit: David Hall.
I nodi creati da Sala e Möttönen simile anelli di fumo, che sembra particolarmente appropriata, data la storia del nodo teoria in fisica e matematica. Indietro nel 19 ° secolo, il fisico Scozzese Peter Tait eseguito una serie di esperimenti che coinvolgono anelli di fumo. William Thomson (Lord Kelvin) è stato colpito da come questi anelli possono formare e abbastanza stabile da viaggio molto in tutta la stanza prima di dissiparsi. Tait li ha descritti come “anelli di solido India di gomma.”
Ha ispirato Thomson a sviluppare una teoria che gli atomi erano nodi legati in un vorticoso mulinello di un mezzo allora conosciuto come l’etere luminifero. Al momento, si riteneva questo etere deve esistere per spiegare lo strano comportamento della luce. Ideale fluido in assenza di attrito (zero viscosità) renderebbe tali anelli stabile, e l’etere è stato concepito come un fluido ideale, molto simile a superfluido utilizzato in Amherst/Aalto esperimenti. Diversi tipi di nodi sarebbe correlato a diversi tipi di atomi di idrogeno e di ossigeno, per esempio. Tait anche stilato una classificazione dei tipi di nodi, il tentativo di costruire la sua propria versione di una tavola periodica degli elementi.
Non era corretta, naturalmente: l’alba del 20 ° secolo, gli esperimenti hanno confermato che non c’è nessuna tale cosa come la luminferous etere, e senza di essa, la teoria non funziona. Ma alcuni fisici ritengono vortice nodo teoria per essere originale la teoria delle stringhe.
Una delle questioni aperte è ciò che accade a questi quantum nodi nel corso del tempo. I nodi sono topologicamente stabile: a differenza di nodi di cravatta corde o lacci delle scarpe, un topologicamente stabile nodo non può essere slegato, senza tagliare la corda, anche se si è in grado di spostare i nodi all’interno della corda. Allo stesso modo, il quantum nodi in Amherst/Aalto esperimenti non possono essere separati, senza rompere gli anelli. “Non può un-nodo; si è bloccato in qualsiasi modo strano è stato intrecciati [in superfluido]”, ha detto Hall.
L’unico modo che il nodo può sfuggire alla sua topologica prigione è a restringersi, che dovrebbe fare nel corso del tempo, perché si cercherà di ridurre al minimo la sua energia, molto simile a una palla vuole rotolare giù per una collina per ridurre al minimo la sua energia potenziale. Così questi nodi non possono essere dinamicamente stabile.
Sala piacerebbe soprattutto sapere se il nodo in grado di durare più a lungo rispetto al suo superfluido medio. “Se lo fa, allora è effettivamente stabile,” ha detto. “Ma se superfluido si blocca tutto e il nodo winks di esistere, quindi è chiaramente dinamicamente instabile e che sarebbe triste, perché poi è difficile da studiare”.
Questo è fondamentale un lavoro di ricerca sulle applicazioni del mondo reale sono molto in futuro. Hall piace pensare che il progresso scientifico come una piramide, con la ricerca fondamentale alla base.
“Ogni gruppo superiore [applicata fisici o ingegneri, per esempio] è una raccolta di cose dagli strati sottostanti e metterli insieme in nuovi modi,” ha detto. “È possibile ottenere dei prodotti di consumo all’apice della piramide, ma non so, alla base, quello che alla fine sarà utile.”
Detto questo, Möttönen ritiene che il lavoro potrebbe fornire una buona prova di principio per i fisici interessati a sviluppare topologica computer quantistici. Tale disegno sarebbe treccia qubit in una sorta di nodo; diversi tipi di trecce sarebbe codificare diversi compiti computazionali, e tali strutture dovrebbe essere topologicamente stabile. “Il risultato non dipende dalle posizioni di queste cose”, ha detto Möttönen. “Se si sposta in giro un po’, non importa, quindi, [computer] dovrebbe essere molto robusta contro qualsiasi errore.”
Il progetto è ancora nelle fasi iniziali, ma è abbastanza promettente, che Microsoft sta collaborando con il fisico Carlo Marcus (ora all’Università di Copenaghen), tra gli altri, di portare il progetto a compimento.
Cosa sarebbe davvero interessante se Amherst/Aalto e il gruppo riesce a creare più complicato quantum nodi. Forse c’è un’intera classe di questi oggetti, tanto come il grafico del mondo reale i nodi compilato da Tait nel 19 ° secolo. Per la Sala e Möttönen, questo è solo l’inizio della storia.
[Natura Fisica]
Immagine in alto: la Visualizzazione di un quantum nodo. Credit: David Hall. Immagine in basso: Mikko Mottenen. Credito: Heikki Jantunen/Unigrafia.