Geheimnisvolle Schleifen im Gefüge der Realität: Physiker erhalten ersten Blick auf „Alice Rings“: ScienceAlert

Endlich wurde beobachtet, wie sich in einem superkalten Gas seltsame Schleifen im Gefüge der Realität bildeten, was den Physikern die Möglichkeit gab, das Verhalten einer ziemlich eigenartigen Art von einseitigem Magnetismus zu untersuchen.

Die kreisförmigen Strukturen, die nach der berühmten Alice aus „Wunderland“ als „Alice-Ringe“ bekannt sind, wurden von einer Zusammenarbeit zwischen Forschern in den USA und Finnland beobachtet, die bereits über eine lange Liste von Entdeckungen im Zusammenhang mit den Verzerrungen in Quantenfeldern verfügt, die als topologische Monopole bekannt sind.

Monopole sind das isolierte Äquivalent eines Pols auf einem Magneten und klingen wirklich wie etwas, das Alice bei ihrer Jagd nach dem weißen Kaninchen gesehen hätte. Wenn man einen Magneten halbiert, gelingt es nicht, seinen Norden vom Süden zu trennen, aber theoretisch können in der Quantenmaschinerie Monopole entstehen, die verschiedene Kräfte und Teilchen hervorrufen.

Eine Version des Monopols hat die Form eines Elementarteilchens, das sich allen Identifizierungsversuchen widersetzt hat und daher vorerst rein hypothetisch bleibt.

Doch auch in anderen Situationen können Monopole entstehen. Das Aufschäumen verschiedener Quantenfelder kann ihre eigene Art von einseitigem Magnetismus hervorrufen, wenn sie wirbeln und an ihrer Umgebung ziehen und zerren, um kurzlebige Anomalien hervorzubringen, die für einen kurzen Moment auffallen, bevor sie wieder im Trubel verschwinden .

Als Mitglied der Monopole Collaboration der Aalto-Universität in Finnland ist der Physiker Mikko Möttönen bestens mit einer ganzen Reihe von Strudeln, Fäden und Knäueln vertraut, die im Geflecht eines Quantengewebes entstehen können.

Im Jahr 2015, nur ein Jahr nach dem Nachweis der Existenz eines topologischen Monopols, gelang es Möttönen und seinen Kollegen zum ersten Mal, einen solchen isoliert in einem ultrakalten Zustand von Rubidiumatomen zu beobachten, der als Bose-Einstein-Kondensat (BEC) bezeichnet wird.

„Wir sind die Einzigen, denen es gelungen ist, topologische Monopole in Quantenfeldern zu erzeugen“, erklärte Möttönen gegenüber ScienceAlert.

„Nach ihrer Entstehung hat es einige Zeit gedauert, bis wir auch Quantenknoten und Skyrmionen untersucht haben, bevor wir uns genau angeschaut haben, was mit dem topologischen Monopol direkt nach seiner Entstehung passiert.“

Weniger als zwei Jahre nach ihrer ersten Beobachtung machte die Zusammenarbeit eine überraschende Entdeckung: Monopole könnten in andere Typen zerfallen.

In dieser neuesten Untersuchung beobachteten die Forscher erneut, wie ein topologischer Monopol mit etwas anderem verschmolz, nur dass das Endergebnis dieses Mal eher einem winzigen Tor ins Wunderland glich – Strukturen namens Alice-Strings.

Alice-Strings sind eng mit Monopolen verbunden und verdrehen sich zu einseitigen Magnetpolen, wenn sie sich zu Schleifen schließen. Und diese Schleifen aus Alice-Strings werden als Alice-Ringe bezeichnet.

Doch während typische Monopole einige Tausendstelsekunden durchhalten können, bleiben Alice-Ringe mehr als 80 Millisekunden bestehen – etwa 20-mal länger.

„Aus der Ferne sieht der Alice-Ring einfach wie ein Monopol aus, aber die Welt nimmt eine andere Form an, wenn man durch die Mitte des Rings blickt“, sagt David Hall, ein Physiker vom Amherst College in den USA.

Wie Alices eigener Spiegel kann das Durchqueren der seltsamen Magnetschleife im Quantenfeld eines BEC alles auf den Kopf stellen. Andere Monopole, die zufällig durchfallen, werden in ihre Spiegelversionen umgekehrt und drehen den Ring beim Weitergleiten ins Gegenteil.

Während das Team diese Inversion noch nicht experimentell beobachtet hat, ist es ein aufregender Fortschritt, die Ringbildung beim Zerfall eines topologischen Monopols zu beobachten.

Auf praktischer Ebene können wir nur spekulieren, wie die Erkenntnis angewendet werden könnte. Aber je mehr wir über die instabile Natur von Quantenfeldern erfahren, desto besser können wir ihre Gewässer kartieren und tiefere Wahrheiten der Realität verstehen.

„In erster Linie ist diese Schaffung von Alice-Ringen von grundlegender Bedeutung“, sagt Möttönen gegenüber ScienceAlert.

„Es wirft Licht und Inspiration auf die Suche nach den tiefsten Bestandteilen des Universums, der Materie und der Information.“

Diese Forschung wurde in Nature Communications veröffentlicht.