Des scientifiques créent un monopôle de Dirac synthétique pour la physique

Pour la première fois, des physiciens ont créé et photographié des monopôles magnétiques synthétiques en créant un environnement qui imite le champ magnétique d’un monopôle dans un nuage d’atomes de rubidium.

Voici une impression d'artiste d'un monopôle magnétique synthétique. Crédit image : Heikka Valja.

Ceci est une impression d’artiste d’un monopôle magnétique synthétique. Crédit photo : Heikka Valja.

En 1931, le professeur Paul Dirac, physicien théoricien anglais, a prédit que les pôles nord et sud d’un aimant pouvaient exister indépendamment et se comporter comme des charges électriques.

Malgré les recherches expérimentales menées depuis lors, aucune observation d’un monopôle magnétique naturel – une particule magnétique possédant un seul pôle isolé – n’a encore été confirmée.

En 2009, des chercheurs finlandais ont publié des résultats théoriques démontrant une méthode permettant de créer des monopoles de Dirac dans un condensat de Bose-Einstein, un gaz atomique extrêmement froid dont la température est supérieure de quelques dizaines de milliardièmes de degré au zéro absolu.

L’idée consiste à utiliser des champs magnétiques externes pour faire tourner les spins atomiques. Un monopôle de Dirac se forme dans le condensat à la suite de la rotation des spins.

Cette méthode a été adoptée par une équipe de physiciens, dirigée par le professeur David Hall de l’Amherst College, pour créer le monopôle magnétique synthétique.

Après avoir résolu de nombreux défis techniques, le professeur Hall et ses collègues ont été récompensés par des photographies qui ont confirmé la présence des monopoles aux extrémités de minuscules tourbillons quantiques dans le gaz ultra-froid.

Le résultat prouve expérimentalement que les structures envisagées par Dirac existent dans la nature, même si les monopoles magnétiques naturels restent à l’état naturel”, a déclaré le professeur Hall, qui est l’auteur principal d’un article publié dans la revue “The Gazette”. Nature.

“La création de champs électriques et magnétiques synthétiques est une nouvelle branche de la physique en pleine expansion qui pourrait conduire au développement et à la compréhension de matériaux entièrement nouveaux, tels que des supraconducteurs à plus haute température pour la transmission sans perte de l’électricité.”

La découverte fournit une base plus solide pour les recherches actuelles de monopoles magnétiques qui ont même impliqué le célèbre Grand collisionneur de hadrons au CERN.

“Notre réalisation ouvre des voies étonnantes pour la recherche quantique. À l’avenir, nous voulons obtenir une correspondance encore plus complète avec le monopole magnétique naturel”, a déclaré le Dr Mikko Möttönen de l’université d’Aalto, co-auteur de l’étude.

À l’avenir, les physiciens se concentreront sur une recherche plus approfondie de la structure d’un monopôle magnétique synthétique. Ils s’intéressent également à la dynamique des monopoles et à leurs interactions avec d’autres particules synthétiques.

Une idée intéressante consiste à essayer de créer un monopôle qui ne soit pas lié à un tourbillon comme l’est le monopôle de Dirac. Ce type de structure pourrait éventuellement décrire un monopôle magnétique naturel de manière encore plus détaillée.

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