Une équipe internationale de physiciens de Finlande et des États-Unis a réalisé les premières observations expérimentales de la dynamique des monopoles isolés dans la matière quantique. Les résultats sont publiés dans la revue Physical Review X.
Ceci est une vue artistique de la désintégration d’un monopole mécanique quantique en un monopole de Dirac. Crédit image : Heikka Valja.
Contrairement aux aimants habituels, les monopoles magnétiques sont des particules élémentaires qui ne possèdent qu’un pôle magnétique sud ou nord, mais pas les deux.
Leur existence a été théoriquement prédite, mais aucune observation expérimentale convaincante n’a été rapportée.
“En 2014, nous avons réalisé expérimentalement un monopôle de Dirac, c’est-à-dire la théorie de Paul Dirac, vieille de 80 ans, dans laquelle il envisageait à l’origine des particules quantiques chargées interagissant avec un monopôle magnétique”, a déclaré le co-auteur principal David Hall, professeur de physique au Amherst College.
“Et en 2015, nous avons créé de véritables monopoles quantiques”, a ajouté le coauteur principal, Mikko Möttönen, professeur d’informatique quantique à l’université de Jyväskylä et chercheur principal au département de physique appliquée de l’université Aalto.
“Alors que l’expérience du monopole de Dirac simule le mouvement d’une particule chargée au voisinage d’un champ magnétique monopolaire, le monopole quantique présente une structure ponctuelle dans son propre champ, ressemblant à celle de la particule monopolaire magnétique elle-même.”
L’équipe a maintenant observé comment l’un de ces analogues uniques de monopole magnétique se transforme spontanément en un autre en moins d’une seconde.
“Cela semble facile, mais nous avons dû améliorer l’appareil pour y parvenir”, a déclaré le premier auteur de l’étude, Tuomas Ollikainen, candidat au doctorat à l’université d’Aalto.
Gauche : image latérale expérimentale du monopôle quantique. À droite : après 0,2 seconde, le monopole quantique s’est décomposé en monopole de Dirac. Les différentes couleurs représentent la direction de l’état magnétique interne des atomes et la luminosité correspond à la densité des particules. Crédit image : Tuomas Ollikainen.
“Nous commençons avec un gaz extrêmement dilué d’atomes de rubidium refroidi près du zéro absolu, température à laquelle il forme un condensat de Bose-Einstein”, expliquent les chercheurs.
“Ensuite, nous préparons le système dans un état non magnétisé et nous introduisons un point zéro de champ magnétique externe dans le condensat, créant ainsi un monopôle quantique isolé.”
“Puis nous maintenons le point zéro immobile et attendons que le système se magnétise progressivement le long du champ magnétique variant dans l’espace.”
“La destruction du monopole quantique qui en résulte donne naissance à un monopole de Dirac”, disent-ils.
Le monopole quantique est un défaut ponctuel dit topologique, c’est-à-dire un point unique dans l’espace entouré d’une structure dans l’état non magnétisé du condensat qui ne peut être supprimé par un remodelage continu.
De telles structures sont liées au prix Nobel de physique 2016 qui a été attribué en partie pour les découvertes de transitions de phase topologiques impliquant des tourbillons quantiques, ou vortex.
“Les lignes de vortex sont étudiées expérimentalement dans les superfluides depuis des décennies ; les monopoles, en revanche, sont étudiés expérimentalement depuis seulement quelques années”, a déclaré le professeur Hall.
Bien que sa topologie protège le monopole quantique, celui-ci peut se désintégrer puisque la phase entière de la matière passe de non magnétisée à magnétisée.
“Peu importe la robustesse de la sculpture de glace que vous réalisez, tout s’écoule dans l’égout lorsque la glace fond “, a déclaré Ollikainen.
“Pour la première fois, nous avons observé l’apparition spontanée de monopoles de Dirac et des lignes de vortex correspondantes “, a déclaré le Dr Möttönen.
