Physiciens ont prédit qu’il devrait être possible pour les noeuds à se former dans les champs quantiques depuis des décennies, mais personne ne pouvait comprendre comment accomplir cet exploit expérimentalement. Maintenant, une équipe internationale a réussi à faire, à faire des nœuds dans un superfluide pour la première fois par la manipulation de champs magnétiques.
Dirigé par David Hall, un physicien à l’Amherst College, et Mikko Möttönen de l’Université Aalto en Finlande, le groupe décrit son œuvre novatrice dans un nouveau papier dans Nature Physics. Il est difficile de visualiser ces objets exotiques, mais ils sont essentiellement des particules comme des bagues ou des boucles dans un champ quantique reliés les uns aux autres exactement une fois. Un mathématicien peut ne pas tenir compte de ces structures pour être vrai nœuds; en général, un nœud est défini comme une noué cercle, comme un bretzel, tandis qu’une bande de caoutchouc pourrait être considéré comme une “onu-noeud.” Hall et Möttönen préfère penser que leurs structures noueux solitons.
Et qu’est ce qu’un soliton, vous pouvez demander? Il ya un certain type de voyage vague qui roule vers l’avant à une vitesse constante, sans perdre sa forme. C’est un soliton, et ces objets apparaissent également dans la théorie quantique des champs. Comme je l’ai écrit dans un 2014 article pour Quanta, “Poke un champ quantique et vous permettra de créer une oscillation [wave] qui, généralement, se dissipe vers l’extérieur, mais configurer les choses de la bonne façon et que l’oscillation sera de maintenir sa forme” — tout comme une onde se propageant.
Möttönen lisez à propos de la théorie quantique de nœuds, et est devenu intrigué par la possibilité. Après avoir fait un peu de crayon et du papier calculs, il a effectué des simulations par ordinateur pour démontrer ce qu’il faut rechercher dans les données expérimentales, et a fait équipe avec Salle de groupe de recherche, à Amherst, pour tester les résultats de ses recherches.
David Hall (l) et Michael Ray (r) avec leur installation expérimentale en laboratoire à Amherst. Crédit: Marcus DeMaio/Amherst College.
Sponsorisé
Tout d’abord, ils ont besoin d’un moyen dans ce cas, un état quantique de la matière connue comme un condensat de Bose-Einstein de Condensat (BEC). À des températures normales, les atomes se comportent un peu comme des boules de billard, qui rebondissent les uns des autres et tout contenant murs. Mais ils le font plus lentement que vous le baissez la température. Obtenir la température de milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu, et les atomes sont si denses, qu’ils commencent à perdre de leur identité individuelle. Vous vous retrouvez avec un ultra froid de l’échantillon quantique de la matière.
Les physiciens ont créé la première BECs en 1995, 70 ans après, ils ont d’abord été prévu, mais une fois qu’ils ont compris le truc et avait le droit de la technologie de prise de BECs est devenue une routine. “Maintenant c’est comme si vous éternuez et un BEC qui vient de sortir”, a déclaré Hall. Plus précisément, le quantum de la matière dans le Amherst/Aalto expériences est un superfluide, depuis il coule sans viscosité.
La prochaine étape était de faire des nœuds par d’habiles manipulations de champs magnétiques. Le liquide de l’échantillon a un champ quantique, le meilleur envisagé comme une série de points dans l’espace, chacune avec une orientation spécifique. Pense à un tas de toutes les flèches pointant vers le haut, par exemple — qui est l’état de départ du superfluide. Quand un nœud de formes, il a un cœur, qui est essentiellement un cercle de points d’où les flèches pointent tous vers le bas. Hall compare à un dieu de l’œil fils modèle. “Si vous avez suivi le champ magnétique de la ligne, il serait d’aller vers le centre, mais à la dernière minute, il allait décoller dans une direction perpendiculaire,” dit-il. “C’est une façon particulière de rotation de ces flèches qui vous donne ce lié à la configuration.”
Le dispositif expérimental était si délicate, qu’une fois que le processus a commencé, même les toilettes étaient pas autorisés, comme Möttönen découvert à son encontre lors d’une de ses visites au laboratoire. Le moindre mouvement d’un objet métallique, comme une chaise de bureau — pourrait perturber le champ magnétique et de garder les nœuds de se former. “Nous avons été limitée par notre capacité à maintenir notre attention focalisée,” Hall admis. “Après une heure de cela, votre dos est de vous tuer.”
Mais tous les efforts et de douleurs au niveau du dos payé à la fin. “Nous avons commencé avec absolument rien de travail et nous avons travaillé pendant plus d’un an avant que nous avons obtenu des résultats”, a déclaré Möttönen. Par le temps qu’ils ont été fait, “Il était juste de correspondance de un à un avec les simulations.” Le groupe a eu beaucoup plus de facilité à la torsion de nœuds dans les champs quantiques depuis, parvenant même à prendre des films avec des noeuds qu’ils font.
Quantum nœuds dans un superfluide. Crédit: David Hall.
Les nœuds créés par Hall et Möttönen ressemblent à de la fumée des anneaux, qui semble particulièrement approprié, compte tenu de l’histoire de la théorie des nœuds en physique et en mathématiques. Au 19ème siècle, le physicien Écossais Peter Tait effectué un certain nombre d’expériences impliquant des boucles de fumée. William Thomson (Lord Kelvin) a été frappé par la façon dont ces anneaux pourraient se former et être suffisamment stables pour voyager assez loin à travers la pièce avant de se dissiper. Tait les a décrits comme des “anneaux de caoutchouc solide.”
Elle a inspiré de Thomson à développer une théorie que les atomes étaient noeuds liés dans le tournoiement des tourbillons d’un moyen connu alors sous le nom lumineuses aether. À l’époque, on croyait cette aether doit exister pour expliquer le comportement étrange de la lumière. Idéal fluide sans frottement (zéro viscosité) rendrait ces anneaux stable, et de l’éther a été conçu comme un idéal de fluide, un peu comme le liquide utilisé dans la Amherst/Aalto expériences. Les différents types de nœuds serait en corrélation avec les différents types d’atomes d’hydrogène ou de l’oxygène, par exemple. Tait encore compilé une classification des types de nœuds, de tenter de construire sa propre version d’un tableau périodique des éléments.
Il n’était pas correcte, bien sûr: à l’aube du 20e siècle, des expériences ont confirmé qu’il n’y a pas une telle chose comme la luminferous aether, et sans elle, la théorie ne fonctionne pas. Mais certains physiciens considèrent le vortex de la théorie des nœuds à l’origine de la théorie des cordes.
Une des questions ouvertes est ce qui arrive à ces quantique noeuds au fil du temps. Les noeuds sont topologiquement stable: contrairement aux nœuds de nous attacher à des cordes ou des lacets, une topologiquement stable noeud ne peut pas être détaché sans couper la corde, mais vous pouvez la déplacer les nœuds dans la corde. De même, le montant des noeuds dans la Amherst/Aalto expériences ne peuvent pas être séparés sans casser les anneaux. “Il ne peut pas l’onu-noeud lui-même; il est coincé dans quelle étrange manière dont elle a été tordus ensemble [dans le superfluide]”, a déclaré Hall.
La seule façon de le noeud peut échapper à son topologique de la prison est de rétrécir, qui elle doit le faire au fil du temps, car il va chercher à minimiser son énergie, un peu comme un ballon veut rouler vers le bas une colline à minimiser son énergie potentielle. Donc, ces nœuds peuvent ne pas être dynamiquement stable.
Hall voudrais surtout savoir si le noeud peut durer plus longtemps que sa superfluide moyen. “Si c’est le cas, c’est effectivement stable”, dit-il. “Mais si le liquide se bloque autour de et le noeud des clins d’œil hors de l’existence, alors qu’il est clairement dynamique instable et qui serait triste, car il est alors difficile à étudier.”
C’est très de la recherche fondamentale, de sorte que des applications du monde réel sont loin dans l’avenir. Hall aime à penser de l’avancement de la science comme une pyramide, avec la recherche fondamentale à la base.
“Chaque groupe de niveau supérieur [appliqué physiciens ou ingénieurs, par exemple] est la cueillette des choses à partir des couches ci-dessous et de les mettre ensemble dans de nouveaux moyens,” dit-il. “Vous obtenez vos produits de consommation au sommet de la pyramide, mais vous ne savez pas, à la base, ce qui finalement va être utile.”
Cela dit, Möttönen estime que le travail peut donner une bonne preuve de principe pour les physiciens intéressés dans le développement topologique ordinateurs quantiques. Une telle conception de la tresse de qubits dans une sorte de nœud; les différents types de tresses serait de coder les différentes tâches de calcul, et ces structures seraient topologiquement stable. “Le résultat ne dépend pas de la position de ces choses,” a déclaré Möttönen. “Si vous bougez un peu, il n’a pas d’importance, de sorte que [l’ordinateur] doit être vraiment solide contre toute erreur.”
La conception est encore dans les premiers stades, mais c’est assez prometteurs que Microsoft est en collaboration avec le physicien Charles Marcus (maintenant à l’Université de Copenhague), entre autres, à mener le projet à terme.
Ce qui serait vraiment intéressant, c’est si la Amherst/Aalto groupe permet de gérer de créer plus compliqué quantique nœuds. Peut-être il y a toute une classe de ces objets, un peu comme le graphique du monde réel les nœuds compilé par Tait dans le 19ème siècle. Pour le Hall et Möttönen, c’est juste le début de l’histoire.
[La Nature De La Physique]
Top image: Visualisation d’un quantum de noeud. Crédit: David Hall. Image du bas: Mikko Mottenen. Crédit: Heikki Jantunen/Unigrafia.