Необычное магнитное поведение, которое было предсказано известным физиком более восьми десятилетий назад наконец было продемонстрировано в лабораторных условиях. Эксперимент проводился в рамках нового научного исследования.
Поведение электронов в ответ на воздействие магнитных монополь – гипотетических элементарных частиц, характеризующихся ненулевым магнитным зарядом – источника магнитного поля с одним полюсом, было продемонстрировано в ультра-холодном материале, который имитирует естественную магнитную среду. И монополь, и электроны ведут себя так, как и предсказывал в 1931 году английский физик-теоретик Поль Дирак.
Хотя новый эксперимент, описанный в статье, опубликованной 29 января 2014 года в журнале «Nature», не доказывает, что монополи существуют вне лабораторий в других магнитных системах, он позволил физикам очередной раз убедиться в необходимости их поисков в природе. Об этом заявил соавтор исследований физик David Hall из Amherst College in Massachusetts.
Не для кого не секрет, что все известные магниты имеют два полюса – северный и южный. Даже если разломать магнит на две части, то каждая из них по-прежнему будет являться диполем.
По словам Hall, на сколько бы частей не разрезать магнит, вплоть до атомного уровня, у него все также будет два полюса – северный и южный.
Тем не менее большинство физиков полагают, что магнитный монополь – магнит только с одним полюсом — все-таки должен существовать. Например, монополи позволили бы объяснить, почему электрический заряд субатомных частиц, таких как электроны и протоны, всегда происходят в дискретных единицах фундаментального заряда.
Если и есть такие магнитные монополи, то они, вероятнее всего, сформировались сразу же после Большого Взрыва, когда весь космос был более плотным и горячим, чем сегодня. По словам Hall, должны существовать весьма энергетические условия для того, чтобы сформировать столь необычные магнитные частицы.
В 1931 году Дирак попытался представить себе, как вел бы себя монополь в соответствии со Стандартной моделью – ведущей теоретической конструкцией в физике, описывающей поведение крошечных частиц.
Физик предсказал, что магнитный монополь способен создать подобие водоворота, пройдя сквозь поток электронов словно через «туннель». (В квантовой теории электроны не твердые массы с неподвижными границами, а скорее нечеткие капли, через которые способны проходить другие объекты).
К огромному сожалению, попытки учёных найти естественные монополи были безрезультатными, таким образом, проверить теорию Драка было крайне сложно.
Однако это не остановило учёных, Hall и его коллеги охладили атомы рубидия до всего миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре атомы демонстрируют странное квантовое поведение – они ведут себя не как скопление частиц, а как отдельные структурные элементы. По существу они добились пятого состояния вещества, создав ультра-холодный атомный газ.Физикам в ходе эксперимента удалось заснять как «электрон» взаимодействовал с «магнитным полем». Когда искусственно созданный монополь сталкивается с электроном, он создает вихрь, подобный смерчу, центральная часть («коридор») которого абсолютно свободна от каких-либо атомов.
По словам физика Lindsay Leblanc из University of Alberta в Канаде, автора статьи о новом исследовании, опубликованной в разделе News & Views журнала «Nature», проведенный эксперимент — это «великолепная демонстрация квантового моделирования, которая способна в будущем послужить основой для создания сверхпроводящих материалов, способных функционировать при комнатной температуре».
