Neuer Monopol im Quantenfeld gesichtet

  • 30. April 2015

Exotischer Zustand in einem Bose-Ein­stein-Kon­den­sat er­zeugt.

Mit ultrakalten atomaren Gasen lassen sich exotische Anregungen in Quanten­feldern erzeugen und eingehend studieren. Jetzt haben Forscher punkt­förmige Monopole hergestellt, die sich grund­legend von Dirac-Mono­polen unter­scheiden. Magnetische Elementar­ladungen oder Monopole, wie sie Paul Dirac theore­tisch untersucht hatte, konnte man als topologische Anregungen des Vakuums bisher nicht entdecken. Nur in magne­tischen Kristallen oder ultrakalten Atom­wolken hat man klassische bzw. quantenmechanischen Dirac-Mono­pole erzeugen können.

Die Spins der Atome (blaue Pfeile) folgen dem Magnetfeld (graue Linien; links). In der x-y-Ebene gehen sie radial vom Monopol weg. In der y-z-Ebene weichen sie dem Monopol wie einem Sattelpunkt aus. (rechts; Bild: M. W. Ray et al., AAAS)

Abb.: Die Spins der Atome (blaue Pfeile) folgen dem Magnetfeld (graue Linien; links). In der x-y-Ebene gehen sie radial vom Monopol weg. In der y-z-Ebene weichen sie dem Monopol wie einem Sattel­punkt aus. (rechts; Bild: M. W. Ray et al., AAAS)

So hatten Forscher um David Hall vom Amherst College in Massa­chu­setts und Mikko Möttönen von der Aalto University in Finnland vor einem Jahr einen quanten­mecha­nischen Dirac-Monopol in einem Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium-87-Atomen erzeugt. Dazu brachten sie die Spin-1-Atome in den magneti­sierten Zustand | F = 1, m = 1 ⟩ und setzten sie einem zeitab­hängigen Magnet­feld aus. Das Kondensat geriet daraufhin in komplizierte Bewegungen. Es wies eine charakte­ristische Knotenlinie auf, die von einem Dirac-Monopol ausging. Diese ausgedehnte Anregung des Kondensat­felds war demnach nicht punktförmig.

Jetzt haben die Forscher ihr Experiment so abgewandelt, dass sie damit einen wirklich punkt­förmigen Monopol im Quanten­feld des Kondensats produzieren konnten. Dazu haben sie die etwa 200.000 ultrakalten Rubidium­atome des Kondensats in den nicht­magneti­sierten Zustand | F = 1, m = 0 ⟩ präpariert. Anschließend ließen sie ein langsam veränderliches Magnetfeld auf das Kondensat wirken, das die Spins der Atome längs der vertikalen z-Achse ausrichtete.

Während das z-Magnetfeld dann wieder langsam abge­schaltet wurde, erzwang ein zusätz­liches magnetisches Quadrupolfeld im Kondensat eine unge­wöhn­liche Spin­konfigu­ration, wie Berechnungen ergaben. Die Spins in der horizontalen x-y-Ebene waren von einem Punkt radial nach außen gerichtet, hingegen zeigten sie längs der z-Achse auf diesen singulären Punkt hin. Im Schnitt entlang der x-z-Ebene konnte man erkennen, dass die Spins diesen Punkt wie einen Sattelpunkt umströmten, bei dem es sich um einen Monopol handelte.

Die Forscher unterzogen das Kondensat einer Reihe von Tests, um nach­zu­weisen, dass in ihm tatsächlich ein punkt­förmiger Monopol steckte. Dazu setzen sie das Kondensat einem schnell zuneh­menden homogenen Magnetfeld aus, das eine Quanti­sierungs­richtung für die Spins festlegte. Anschließend machten sie die Teilchen­dichte in der Atomwolke getrennt nach den einzelnen Spinzuständen (-1, 0 und +1) sichtbar.

Die atomare Dichteverteilung im Kondensat längs der y-Achse (links: Experiment; rechts: Theorie) für die verschiedenen Spinzustände. Die beiden Bilder ganz oben zeigen die Dichteverteilung farblich unterschieden für alle drei Spinzustände. (M. W. Ray et al. / AAAS)

Abb.: Die atomare Dichteverteilung im Kondensat längs der y-Achse (links: Experiment; rechts: Theorie) für die verschie­denen Spinzustände. Die beiden Bilder ganz oben zeigen die Dichte­verteilung farblich unter­schieden für alle drei Spin­zustände. (Bild: M. W. Ray et al. / AAAS)

Die Berechnungen hatten, abhängig von der Projektionsrichtung, für jeden der Spinzustände charakte­ristische Dichte­muster ergeben, die mit den experi­mentell gefundenen Mustern gut überein­stimmten. Eine Knoten­linie, wie sie die Forscher im vergangenen Jahr beim Nachweis des Dirac-Monopols beobachtet hatten, sollte den Berech­nungen zufolge jedoch diesmal nicht auftreten. Und tatsächlich zeigte keines der experi­mentell gewonnen Dichtemuster solch eine verräterische Linie.

Mit ihrem Verfahren, so glauben die Forscher, lässt sich auch die Wechsel­wirkung von Monopolen und anderen topolo­gischen Defekten wie Domänen­wänden oder Skyrmionen untersuchen. Die Resultate wären insbe­sondere für die Hoch­energie­physik und die Kosmo­logie interessant. Darüber hinaus ließen sich viel­leicht neuartige Anregungen erzeugen, die punkt­förmige Monopole und Dirac-Monopole mitein­ander kombinieren. Schließlich wäre auch die experi­mentelle Erzeugung von Monopolen für nicht-abelsche Felder von großem Interesse.

Rainer Scharf

OD

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