Physiker erschaffen erstmals bizarre Quanten-Alice-Ringe

Forscher manipulierten Tausende extrem kalter Atome, um einen ringförmigen Defekt zu erzeugen, der die Eigenschaften von Quantenobjekten, die ihn passieren, verändern kann

Von Karmela Padavic-Callaghan

29. August 2023

Künstlerische Darstellung eines erstmals beobachteten Alice-Rings

Heikka Valja/Aalto-Universität

Physiker haben durch den sprichwörtlichen Spiegel geschaut, und die Atome auf der anderen Seite gehören zu einer Welt voller Gegensätze. Zum ersten Mal haben Forscher ein exotisches Quantenobjekt namens Alice-Ring hergestellt, das die Eigenschaften anderer Quantenobjekte verändert, wenn sie es passieren – oder wenn sie einfach durch ihn hindurch betrachtet werden.

Quantensysteme – etwa Ansammlungen sehr kalter Atome oder sogar unser gesamtes Universum – sollten theoretisch seltsame Objekte enthalten, die topologische Defekte genannt werden. Einige ähneln langen Fäden, andere sind noch seltsamer: Nulldimensionale Punkte, in deren Zentrum Dinge wie Magnetfelder mathematisch unmöglich zu beschreiben sind.

Solche Defekte sind schwer zu erzeugen und zu beobachten. Aber Mikko Möttönen von der Aalto-Universität in Finnland und seine Kollegen haben herausgefunden, wie man einen topologischen Defekt erzeugt, der sich schnell in einen anderen verwandelt.

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Dazu platzierten sie zunächst 250.000 Rubidiumatome in einer kleinen Kammer ohne Luft und beschossen sie dann mit Lasern, um ihre natürliche Bewegung zu verlangsamen und sie auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt zu bringen. Unter diesen Bedingungen verhielten sich alle Atome wie ein großes Quantenobjekt. Aufgrund einer Quanteneigenschaft namens Spin war dieses Objekt empfindlich gegenüber Magnetfeldern.

Möttönen sagt, das Team habe Computersimulationen und mathematische Modelle verwendet, um zu bestimmen, wie die Richtung und Stärke der Magnetfelder strukturiert werden könnten, um die Atome zu verdrehen, bis ein topologischer Defekt auftrat. Dieser Ansatz wurde zuvor verwendet, um Defekte zu erzeugen, die Monopole genannt werden, also Partikel, die einem Magneten mit einem einzelnen Pol ähneln.

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Nun beobachteten die Forscher auch das Schicksal eines Monopols: Nach wenigen Millisekunden dehnte sich jeder von ihnen erzeugte Monopol zu einem Alice-Ring mit einer sehr seltsamen Eigenschaft aus.

„Dieser Alice-Ring hat eine Besonderheit. Je nachdem, ob man einen nahegelegenen Monopol durch den Ring oder von der Seite des Rings betrachtet, sieht seine Ladung unterschiedlich aus. Der Ring kehrt also die Ladung der Objekte um, die man betrachtet“, sagt Möttönen. Computersimulationen zeigten außerdem, dass sich die Ladung eines Monopols vollständig umdrehen würde – beispielsweise von positiv nach negativ –, wenn er sich durch den Alice-Ring bewegte.

Möttönen und seine Kollegen haben diese Methode zuvor verwendet, um topologische Defekte in ultrakalten Atomen zu erzeugen, darunter knotenartige Strukturen und spezielle Wirbel, sogenannte Skyrmionen. Die nächste Herausforderung, die sie im Visier haben, besteht darin, nicht nur einen Monopol und einen Alice-Ring zu schaffen, sondern auch einen durch den anderen hindurchgehen zu lassen, um seine spiegelartige Funktion direkt zu testen, sagt er.

Janne Ruostekoski von der Lancaster University im Vereinigten Königreich sagt, die von den Forschern entwickelte Methode sei einzigartig und könne sogar die Visualisierung abstrakter mathematischer Theoreme ermöglichen. Beispielsweise könnte es Wissenschaftlern eine Möglichkeit geben, das sogenannte „Hairy-Ball-Theorem“ zu untersuchen, das die Textur von Feldern um topologische Defekte vorgibt.

Dies eröffne „beispiellose Möglichkeiten“ für die Erforschung von Theorien in der Kosmologie oder Hochenergiephysik, „für die es bisher keine experimentellen Beweise gab“, sagt er.

Zeitschriftenreferenz:

Nature Communications DOI: 10.1038/s41467-023-40710-2

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