Theoretische Physiker haben vorhergesagt, dass es möglich sein sollte Knoten zu bilden, in der Felder für Jahrzehnte, aber niemand konnte herausfinden, wie dieses Kunststück vollbringen experimentell. Nun hat ein internationales team hat es geschafft, genau das zu tun, binden, Knoten in einem superfluiden zum ersten mal durch die Manipulation von magnetischen Feldern.
Angeführt von David Hall, Physiker am Amherst College, und Mikko Möttönen der Aalto-Universität in Finnland, die Gruppe beschreibt Ihre bahnbrechende Leistung in einem neuen Papier in der Natur der Physik. Es ist schwer zu visualisieren diese exotische Objekte, sondern Sie sind im wesentlichen Teilchen-wie Ringe oder Schleifen in einem quantenfeld, die miteinander verbunden werden genau einmal. Ein Mathematiker könnte nicht der Ansicht, diese Strukturen, um wahr zu sein Knoten; in der Regel ein Knoten ist definiert als eine verknotete Kreis, wie eine Brezel, während ein Gummiband würde als ein “un-Knoten.” Halle und Möttönen lieber auf die Meinung Ihrer Strukturen als knorrig Solitonen.
Und was ist ein soliton, könnten Sie Fragen? Es gibt eine bestimmte Art von Reisen Welle rollt vorwärts mit einer Konstanten Geschwindigkeit ohne seine Form zu verlieren. Das ist ein soliton, und solche Objekte zeigen sich auch in der Quantenfeldtheorie. Wie ich schon schrieb, im Jahr 2014 Artikel für Quanta “Poke ein quantenfeld und erstellen Sie eine Oszillation [wave], die in der Regel verliert sich nach außen, aber konfigurieren Dinge in der richtigen Art und Weise und dass Schwingung wird halten Ihre Form” — nur eine wandernde Welle.
Möttönen Lesen Sie über die theoretischen Vorhersagen der Quanten-Knoten, und wurde fasziniert von der Möglichkeit. Nachdem Sie ein paar Bleistift-und-Papier-Berechnungen, lief er in Computersimulationen zeigen, was Sie suchen in der experimentellen Daten, zusammen mit Halle Arbeitsgruppe von Amherst zu testen, seine Erkenntnisse.
David Hall (l) und Michael Ray (r) mit Ihren experimentellen Aufbau in Amherst Labor. Credit: Marcus DeMaio/Amherst College.
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Erste, Sie brauchen ein medium — in diesem Fall ein quantenmechanischer Zustand der Materie bekannt als Bose-Einstein-Kondensat (BEC). Bei normalen Temperaturen Atome Verhalten sich wie eine Menge, Billard-Kugeln, abprallen einander und jeder mit Wänden. Aber Sie nicht mehr so langsam wie Sie die Temperatur senken. Holen Sie sich die Temperatur auf Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, und die Atome sind so dicht gepackt, Sie zu verlieren beginnen Ihre individuellen Identitäten. Sie am Ende mit einer extrem kalten Probe von quantenmaterie.
Physiker entstanden die ersten BECs 1995, 70 Jahre nach der ersten vorhergesagt, aber wenn Sie erst einmal herausgefunden das trick — und hatte die richtige Technologie — machen BECs routine geworden. “Nun es ist so, wie Sie niesen und ein BEC kommt”, sagte Hall. Genauer gesagt, das quantum der Materie in Amherst/Aalto-Experimente ist ein superfluiden, da es fließt keine Viskosität.
Der nächste Schritt war, um tatsächlich binden Sie die Knoten über geschickte manipulation von magnetischen Feldern. Der superfluiden Beispiel hat ein quantenfeld, am besten vorgestellt als eine Reihe von Punkten im Raum, die jeweils mit einer bestimmten Ausrichtung. Denken Sie sich ein paar Pfeile, die alle zeigen, zum Beispiel — das ist der Ausgangszustand der superfluiden. Wenn ein Knoten bildet, es hat einen Kern, der im wesentlichen einen Kreis von Punkten, wo die Pfeile zeigen nach unten. Hall vergleicht es mit einem Auge Gottes Garn Muster. “Wenn Sie folgte dem Magnetfeld Linie, es würde gehen, in Richtung der Mitte, aber in der letzten minute wäre es peel entfernt in einer senkrechten Richtung”, sagte er. “Es ist eine Besondere Art der rotierenden diese Pfeile, die Ihnen diese verlinkten Konfiguration.”
Der Versuchsaufbau war so zart, dass, sobald der Prozess begann, auch Bad Pausen wurden verboten, als Möttönen entdeckt zu seinem Nachteil bei einem seiner Besuche im Labor. Die geringste Bewegung von jedem Metall-Objekt — wie ein Bürostuhl — stören könnte, das magnetische Feld und halten Sie die Knoten bilden. “Wir waren begrenzt durch die Fähigkeit aus, um unsere Aufmerksamkeit,” Halle zugelassen. “Nach einer Stunde, Ihr Rücken ist, dich zu töten.”
Aber all die Mühe und schmerzende Rücken sich am Ende ausgezahlt. “Wir haben absolut nichts mit der Arbeit und wir arbeiteten mehr als ein Jahr, bevor wir die Ergebnisse”, sagte Möttönen. Mit der Zeit wurden Sie getan, “Es war einfach passenden eins zu eins mit den Simulationen.” Die Gruppe ist mittlerweile viel mehr geschickt zu verdrehen Knoten in quantenfeldern, da dann auch die Leitung zu nehmen Filme von den Knoten, die Sie machen.
Quantum Knoten in einem superfluiden. Credit: David Hall.
Die Knoten erstellt durch die Halle und Möttönen ähneln Rauch-Ringe, die scheint besonders geeignet, angesichts der Geschichte der Knotentheorie in der Physik und Mathematik. Zurück im 19ten Jahrhundert, Schottische Physiker Peter Tait führten eine Reihe von Experimenten mit Rauch-Ringe. William Thomson (Lord Kelvin) war aufgefallen, wie diese Ringe bilden könnte und stabil genug sein, um die Reise ziemlich weit durch den Raum vor dem abführen. Tait beschrieb Sie als wie “Ringe von festen Kautschuk.”
Es inspiriert Thomson Entwicklung einer Theorie, dass Atome Knoten gebunden in den wirbelnden Strudel eines Mediums, dann bekannt als die luminiferous aether. Zu der Zeit, es wurde geglaubt, dass dieser äther muss vorhanden sein, um zu erklären, das seltsame Verhalten von Licht. Eine ideale Flüssigkeit ohne Reibung (null Viskosität) würde machen solche Ringe stabil, und der aether wurde konzipiert als eine ideale Flüssigkeit, ähnlich wie der superfluiden verwendet in Amherst/Aalto-Experimente. Verschiedene Arten von Knoten würde korrelieren, um verschiedene Arten von Atomen Wasserstoff oder Sauerstoff, zum Beispiel. Tait selbst kompiliert eine Klassifizierung der Arten von Knoten, die versuchen, um seine eigene version des Periodensystems der Elemente.
Es war nicht richtig, natürlich: von den Anfängen des 20 Jahrhunderts, Experimente bestätigt hatte, dass es keine solche Sache wie die luminferous aether, und ohne ihn ist die Theorie nicht funktioniert. Aber einige Physiker betrachten vortex Knotentheorie werden die original-string-Theorie.
Eine der offenen Fragen ist, was passiert, um diese Quanten-Knoten über die Zeit. Die Knoten sind topologisch stabil: im Gegensatz zu den Knoten binden wir in die Seile oder Schnürsenkel, eine topologisch stabilen Knoten nicht gelöst werden, ohne das Seil zu zerschneiden, obwohl Sie verlagern kann der Knoten in das Seil. Ebenso die Quanten-Knoten in Amherst/Aalto-Experimente nicht getrennt werden können, ohne die Ringe. “Es kann nicht un-Knoten selbst; es stecken in welcher seltsamen Art und Weise es zusammen verdreht worden [in der superfluiden]”, sagte Hall.
Der einzige Weg, der Knoten kann entkommen, seine topologische Gefängnis zu schrumpfen, was es tun sollte, im Laufe der Zeit, denn er wird versuchen zu minimieren, seine Energie, viel wie ein ball, der will, einen Hügel hinunter Rollen zu minimieren seine potentielle Energie. Also diese Knoten können nicht dynamisch stabil.
Halle möchte vor allem, um herauszufinden, ob der Knoten kann länger als seine superfluiden medium. “Wenn es funktioniert, dann ist es effektiv stabil”, sagte er. “Aber wenn der superfluiden hängt herum und der Knoten winks aus der Existenz, dann ist es klar dynamisch instabil und das wäre schade, denn dann ist es schwer zu studieren.”
Dies ist sehr Grundlagenforschung, so real-world-Anwendungen sind weit in der Zukunft. Halle mag zu denken, die Wissenschaft als eine Pyramide, mit der Grundlagenforschung an der Basis.
“Jeder höheren Gruppe [angewandt, Physiker oder Ingenieure, zum Beispiel] ist Kommissionierung Dinge aus den Schichten unten und setzen Sie gemeinsam neue Wege”, sagte er. “Sie bekommen Ihre consumer-Produkte an der Spitze der Pyramide, aber Sie wissen einfach nicht, an der Basis, was irgendwann noch nützlich sein.”
Das heißt, Möttönen glaubt, dass die Arbeit könnte eine gute “proof of principle” für Physiker daran interessiert, die Entwicklung topologische Quantencomputer. Eine solche Konstruktion würde Geflecht qubits in eine Art Knoten; verschiedene Arten von flechten würde Kodieren verschiedene rechnerische Aufgaben, und diese Strukturen wäre topologisch stabil. “Das Ergebnis hängt nicht von den Positionen, die von diesen Dingen”, sagte Möttönen. “Wenn Sie Sie bewegen sich ein wenig, es spielt keine Rolle, so das [computer] sollte wirklich robust gegen jegliche Fehler.”
Das design ist noch sehr in den Kinderschuhen, aber es ist vielversprechend genug, dass Microsoft in Zusammenarbeit mit dem Physiker Charles Marcus (der jetzt an der Universität von Kopenhagen), unter anderem, um das Projekt zu verwirklichen.
Was wäre wirklich interessant ist, wenn der Amherst/Aalto-Gruppe verwalten können, zu erstellen komplizierter quantum Knoten. Vielleicht gibt es eine ganze Klasse dieser Objekte, ähnlich wie das Diagramm der realen Welt Knoten zusammengestellt von Tait, die im 19ten Jahrhundert. Für Halle und Möttönen, das ist nur der Anfang der Geschichte.
[Physik]
Bild oben: Visualisierung eines Quanten-Knoten. Credit: David Hall. Bild unten: Mikko Mottenen. Credit: Heikki Jantunen/Unigrafia.