En physique classique un monopôle magnétique est une particule hypothétique qui porterait une charge magnétique ponctuelle, au contraire des aimants habituels qui possèdent deux pôles magnétiques opposés. Surnommés anneaux d’Alice d’après les histoires d’Alice aux pays des merveilles de Lewis Carroll, l’apparition de cet objet vérifie une théorie vieille de plusieurs décennies sur la façon dont les monopôles se désintègrent. Plus précisément, ils se désintègrent en un vortex en forme d’anneau, où tout autre monopôle passant par son centre est inversé dans ses charges magnétiques opposées.
Le présent article résume les dernières découvertes publiées dans Nature Communication par la Collaboration dite Monopole Collaboratios des professeurs Mikko Möttönen de l’université d’Aalto et David Hall du Amherst College.
La relation de longue date, intitulée Monopole Collaboration, a d’abord prouvé l’existence d’un analogue quantique du monopôle magnétique en 2014, a isolé des monopôles quantiques en 2015 et a finalement observé l’un se désintégrer en l’autre en 2017.
Les monopôles restent un concept incontournable dans le domaine de la physique quantique. Comme leur nom l’indique, les monopôles sont le pendant solitaire des dipôles, qui portent une charge positive à leur pôle nord et une charge négative au sud. En revanche, un monopôle ne porte qu’une charge positive ou négative.
Même si le concept semble simple, la réalisation d’un vrai monopôle s’est avérée être une tâche difficile. Voici comment la collaboration Monopole l’a fait. Ils ont manipulé un gaz de rubidium préparé dans un état non magnétique proche du zéro absolu. Dans ces conditions extrêmes, ils ont ensuite pu créer un monopôle en dirigeant un point zéro d’un champ magnétique tridimensionnel dans le gaz quantique. Ces monopôles quantiques sont éphémères par nature, se désintégrant quelques millisecondes après leur création. C’est dans cette instabilité que l’anneau d’Alice prend forme. Les moindres perturbations peuvent soumettre les monopôles à des bruits qui déclenchent leur désintégration en anneaux d’Alice.”
Bien que les monopôles soient éphémères, le groupe de recherche a simulé des anneaux d’Alice stables pendant 84 millisecondes – plus de 20 fois plus longtemps que la durée de vie du monopôle. Cela conduit les chercheurs à être optimistes quant au fait que les expériences futures révéleront des propriétés encore plus particulières des anneaux d’Alice.
“C’est de cette perspective que tout semble être en miroir, comme si l’anneau était une passerelle vers un monde d’antimatière au lieu de matière“, a ajouté Möttönen.
En théorie, un monopôle passant par le centre d’un anneau d’Alice serait transformé en un anti-monopôle de charge opposée. En conséquence, la charge de l’anneau d’Alice changerait également. Bien que ce phénomène n’ait pas encore été observé expérimentalement, Möttönen a déclaré que la structure topologique des anneaux d’Alice nécessite ce comportement.
La synthèse de l’anneau d’Alice par la collaboration Monopole est une avancée majeure dans la compréhension des monopôles magnétiques et de leur désintégration en physique quantique. Cet anneau vortex confirme de nombreuses théories sur le comportement des monopôles. Bien que fugaces, ces structures offrent un aperçu sur le monde miroir de l’antimatière. Des expériences futures devraient d’autres propriétés surprenantes de ces anneaux quantiques.
Voir
Vortex ring https://en.wikipedia.org/wiki/Vortex_ring
Référence
- Published: 29 August 2023
- Observation of an Alice ring in a Bose–Einstein condensate
- Alina Blinova,
- Roberto Zamora-Zamora,
- Tuomas Ollikainen,
- Markus Kivioja,
- Mikko Möttönen &
- David S. Hall
- Nature Communications
- volume14, Article number: 5100 (2023)
- Abstract
Monopoles and vortices are fundamental topological excitations that appear in physical systems spanning enormous scales of size and energy, from the vastness of the early universe to tiny laboratory droplets of nematic liquid crystals and ultracold gases. Although the topologies of vortices and monopoles are distinct from one another, under certain circumstances a monopole can spontaneously and continuously deform into a vortex ring with the curious property that monopoles passing through it are converted into anti-monopoles. However, the observation of such Alice rings has remained a major challenge, due to the scarcity of experimentally accessible monopoles in continuous fields. Here, we present experimental evidence of an Alice ring resulting from the decay of a topological monopole defect in a dilute gaseous 87Rb Bose–Einstein condensate. Our results, in agreement with detailed first-principles simulations, provide an unprecedented opportunity to explore the unique features of a composite excitation that combines the topological features of both a monopole and a vortex ring.
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