Teoretiske fysikere har vært å forutsi at det bør være mulig for knop til form i quantum feltene i flere tiår, men ingen kunne finne ut hvordan å oppnå dette feat eksperimentelt. Nå et internasjonalt team har klart å gjøre nettopp det, å binde knuter i en superfluid for aller første gang ved å manipulere magnetiske felt.
Ledet av David Hall, en fysiker ved Amherst College, og Mikko Möttönen av Aalto-Universitetet i Finland, gruppen beskriver sin banebrytende prestasjon i en ny artikkel i Nature Fysikk. Det er tøft å visualisere disse eksotiske gjenstander, men de er i hovedsak partikkel-som ringer eller løkker i en quantum field koblet til hverandre nøyaktig én gang. En matematiker kan ikke vurdere disse strukturene til å være sant knop, vanligvis en knute er definert som en morken sirkel, som en kringle, mens en gummi band ville bli ansett som en “fn-knuten.” Hall og Möttönen foretrekker å tenke på sine strukturer som knotty solitons.
Og hva er en soliton, kan du spørre? Det er en viss type reiser bølge som holder ruller frem i en jevn fart uten å miste formen. Det er en soliton, og slike objekter også dukker opp i quantum field theory. Som jeg skrev i en 2014 artikkelen for Quanta, “Dytte en kvante-feltet, og du vil opprette en svingning [bølge] som vanligvis forsvinner utover, men konfigurere ting på akkurat den riktige måten, og at pendling vil opprettholde sin form” — akkurat som en reise bølge.
Möttönen lese om teoretiske forutsigelser av quantum knop, og ble fascinert av muligheten. Etter å ha gjort et par blyant-og-papir-beregninger, han løp datasimuleringer for å demonstrere hva du skal se etter i den eksperimentelle data, og slo seg sammen med Hall ‘ s research group ved Amherst til å teste sine funn.
David Hall (l) og Michael Ray (r) med sin eksperimentelle oppsettet i Amherst laboratorium. Kreditt: Marcus DeMaio/Amherst College.
Sponset
Først, de trengte en medium — i dette tilfellet en quantum tilstand av materie kjent som en Bose-Einstein Kondensat (BEC). Ved normale temperaturer atomer oppfører seg mye som billiard baller, spretter av hverandre og noen inneholder vegger. Men de gjør det mer sakte som du senke temperaturen. Få temperaturen ned til billionths av en grad over absolutt null, og atomene er så tett pakket, begynner de å miste sine individuelle identiteter. Du ende opp med en ultra kalde utvalg av quantum saken.
Fysikere skapte den første BECs i 1995, 70 år etter at de først ble spådd, men når de fant ut lure — og hadde rett teknologi — noe som gjør BECs ble rutine. “Det er nå som du nyser og en BEC kommer ut,” sa Hall. Mer spesifikt, quantum saken i Amherst/Aalto eksperimenter er en superfluid, siden det flyter med ingen viskositet.
Neste trinn var å faktisk knytte knuter via smart manipulering av magnetiske felt. Den superfluid eksempel har en quantum field, beste tenkt som en rekke punkter i rommet, hver med en bestemt retning. Tenk på en haug av alle piler peker opp, for eksempel som start-tilstanden i superfluid. Når en knute former, den har en kjerne, egentlig en sirkel av punktene der pilene peker ned. Hall sammenligner det med en guds øye garn mønster. “Hvis du har fulgt den magnetiske felt linje, ville det gå mot midten, men i siste liten det ville skrelle bort i en vinkelrett retning,” sa han. “Det er en bestemt måte å rotere disse pilene som gir deg dette knyttet konfigurasjonen.”
Det eksperimentelle oppsettet var så delikat, at når prosessen i gang, selv bad pauser var verboten, som Möttönen oppdaget til sin skade under en av hans besøk til laboratoriet. Den minste bevegelse av metallgjenstander — som en kontorstol — kan forstyrre det magnetiske feltet og holde knop fra forming. “Vi var begrenset av ut evne til å holde oppmerksomheten fokusert,” Hall tillatt. “Etter en time med dette, ryggen er å drepe deg.”
Men all den innsats og verkende rygger betalte seg til slutt. “Vi startet med absolutt ingenting fungerer, og vi jobbet for flere enn året før fikk vi resultatene,” sa Möttönen. Da de var ferdig, “Det var bare matching én-til-én med simuleringer.” Gruppen har fått mye mer flinke til å vri knop i quantum felt siden da, selv klarer å ta opp filmer av kvist de gjør.
Quantum knop i en superfluid. Kreditt: David Hall.
Den knop opprettet av Hall og Möttönen ligne røyk ringer, som synes særlig hensiktsmessig, gitt historien om knute teori i fysikk og matematikk. Tilbake i det 19. århundre, Skotske fysikeren Peter Tait utført en rekke eksperimenter som involverer røyk ringer. William Thomson (Lord Kelvin) ble truffet av hvordan disse ringene kunne danne og være stabil nok til å reise ganske langt på tvers av rommet før spres. Tait beskrevet dem som som “ringer av solid India gummi.”
Det inspirerte Thomson å utvikle en teori om at atomene var knop bundet i den virvlende virvlene i en middels så kjent som luminiferous aether. På den tid var det trodde dette aether må finnes for å forklare den merkelige virkemåten av lys. En ideell væske med ingen friksjon (null viskositet) ville gjøre en slik ringer stabilt, og aether ble unnfanget som en ideell væske, mye som superfluid brukt i Amherst/Aalto eksperimenter. Ulike typer knop ville relatere til ulike typer atomer — hydrogen eller oksygen, for eksempel. Tait selv utarbeidet en klassifisering av typer knop, og å forsøke å bygge opp sin egen versjon av en periodisk tabell over elementene.
Det var ikke riktig, selvfølgelig: ved begynnelsen av det 20. århundre, eksperimenter hadde bekreftet at det er ingen slike ting som luminferous aether, og uten den teorien ikke fungerer. Men noen fysikere vurdere vortex knute teori til å bli den opprinnelige streng teori.
En av de åpne spørsmål er hva som skjer med disse quantum knop over tid. Kvist er topologically stabil: i motsetning til den knop vi tie i tau eller skolissene, en topologically stabil knuten kan ikke være untied uten å kutte tau, selv om du kan flytte knop i tau. På samme måte, quantum knop i Amherst/Aalto eksperimenter ikke kan skilles uten å bryte ringer. “Det kan ikke fn-knuten seg selv, det er fast uansett rare måten det er blitt vridd sammen [i superfluid],” seier Hall.
Den eneste måten knuten kan unnslippe sin topologiske fengsel er å krympe, som det burde gjøre over tid, fordi det vil søke å minimalisere sin energi, mye som en ball ønsker å rulle ned en bakke for å minimere den potensielle energi. Så knuter kan ikke være dynamisk stabil.
Hall spesielt vil finne ut om knuten kan vare lenger enn sin superfluid medium. “Hvis det gjør det, så er det effektivt stabil,” sa han. “Men hvis superfluid henger rundt og knuten blunk ut av eksistens, så er det klart dynamisk ustabil og det ville være trist, fordi det er vanskelig å studere.”
Dette er svært grunnleggende forskning, så virkelige verden programmer er langt i fremtiden. Hall liker å tenke på den vitenskapelige framgang som en pyramide, med grunnleggende forskning på basen.
“Hver høyere gruppe [anvendt fysikere eller ingeniører, for eksempel] er å plukke ut ting fra lagene under og sette dem sammen på nye måter,” sa han. “Du får som forbruker produkter på toppen av pyramiden, men du bare vet ikke, på bunnen, hva er det som til slutt kommer til å være nyttig.”
Når det er sagt, Möttönen mener arbeidet kan gi et godt bevis på prinsippet for fysikere er interessert i utvikling av topologiske kvante-datamaskiner. En slik utforming vil flette qubits inn i en slags knute; ulike typer fletter ville kode forskjellige computational oppgaver, og disse strukturene vil være topologically stabil. “Resultatet er ikke avhengig av posisjonene til disse tingene,” sa Möttönen. “Hvis du flytter dem rundt litt, det spiller ingen rolle, så [slik en datamaskin] bør være veldig robust mot feil.”
Design er fortsatt svært mye i de tidlige stadier, men det er lovende nok til at Microsoft samarbeider med fysikeren Charles Marcus (nå ved Universitetet i København), blant annet for å bringe prosjektet realiseres.
Hva ville være virkelig interessant, er hvis Amherst/Aalto gruppen kan klare å lage mer kompliserte quantum knop. Kanskje det er en hel klasse av disse objektene, mye som diagrammet i den virkelige verden knop utarbeidet av Tait i det 19. århundre. For Hall og Möttönen, dette er bare begynnelsen på historien.
[Arten Fysikk]
Øverste bilde: Visualisering av en kvante-knuten. Kreditt: David Hall. Nederste bilde: Mikko Mottenen. Kreditt: Heikki Jantunen/Unigrafia.