In de wereld van de natuurkunde bestaat er een ‘spookachtige deur’ die lange tijd alleen in wiskundige beschrijvingen bestond. Dit wordt de ‘Alice Ring’ genoemd, vernoemd naar Lewis Carroll’s meesterwerk ‘Alice in Wonderland’. Deze ring is niet zomaar een kwantumwerveling. Het heeft de eigenschap om de eigenschappen van monopolen (enkelpolen) te inverteren die erdoorheen bewegen, en fungeert als een toegangspoort naar de ‘spiegelwereld’.
Een gezamenlijk onderzoeksteam van de Universiteit van Amherst in de Verenigde Staten en de Aalto Universiteit in Finland heeft als eerste ter wereld met succes deze Alice Ring geproduceerd en waargenomen in een experimentele opstelling met een extreem koude kwantumgas, bekend als Bose-Einstein condensaat (BEC). Dit betekent dat een fenomeen dat voorspeld werd als onderdeel van ‘Grand Unified Theories’ (GUT) buiten de standaardmodel van de deeltjesfysica, in een totaal andere context van de gecondenseerde materiefysica is aangetoond.
Het Mysterie van Topologische Monopolen en ‘Instortingen’
Om de ontdekking van de Alice Ring te begrijpen, is het noodzakelijk om het ’topologische monopool’ te begrijpen, waarvan de Alice Ring de afgeleide is.
De Zoektocht naar Geïsoleerde Magnetische Polen
Normale magneten bevatten altijd een noordpool en een zuidpool (dipool), ongeacht hoe klein je ze maakt. Echter, de theoretische kaders in de kwantummechanica en kosmologie hebben de aanwezigheid van deeltjes met alleen noord- of zuidpool voorspeld, de zogenaamde ‘magnetische monopolen’. Deze deeltjes zijn nog niet experimenteel gevonden, maar het is mogelijk om door middel van collectief gedrag van kwantumdeeltjes (velden) analoge ’topologische monopolen’ kunstmatig te creëren.
In 2014 heeft een samenwerking geleid door professor Mikko Möttönen van Aalto Universiteit en professor David Hall van Amherst de aanwezigheid van topologische monopolen bewezen en in 2015 met succes geïsoleerde waarnemingen uitgevoerd bij rubidiumatoom Bose-Einstein condensaat.
Instabiele Singulariteiten
Echter, deze topologische monopolen hebben een fatale zwakte: ze zijn buitengewoon instabiel. De monopolen die in BEC worden gegenereerd, vervallen binnen enkele milliseconden. De belangrijkste vraag waarmee het onderzoeksteam werd geconfronteerd was: ‘Wat blijft er over na de instorting?’
De kern van deze ontdekking is dat de monopolen niet simpelweg vergaan, maar in plaats daarvan transformeren naar een stabiele ringstructuur, bekend als de ‘Alice Ring’.
Alice Ring: De ‘Spiegel’ van de Kwantumwereld
De naam ‘Alice Ring’ is geen loutere metafoor; het weerspiegelt accuraat de topologische bijzonderheid van dit object in de ruimte.
Mechanisme van Lading Inversie
In de theoretische natuurkunde wordt de Alice Ring beschouwd als een structuur die de topologische lading van deeltjes die erdoorheen bewegen, inverseert. Dit betekent dat wanneer een monopool deze ring passeert, het verandert in een ‘anti-monopool’.
Dit lijkt sterk op het verhaal van Alice die een spiegel doorkruist en een omgekeerde wereld betreedt. Fysiek gezien kan dit worden gezien als een soort lading conjugatie. Onder lokale gaugevelden verandert de eigenschap van fysische objecten niet discontinu, maar continu omgekeerd in deze intrigerende ruimtelijke structuur.
Experimentele Waarneming van de ‘Ring’
Hoe hebben de onderzoekers deze delicate en vreemde structuur waargenomen in de extreem koude omgeving van een Bose-Einstein condensaat? Het experiment maakte gebruik van rubidium-87 atomen die tot vrijwel absolute nul (in de nanokelvin-regio) waren gekoeld. In deze staat gedraagt een grote massa van atomen zich als een enkele kwantumtoestand, als een macrokwantumgolf (materiegolf).
Overgang van Monopool naar Ring
De onderzoekers creëerden een monopool door een zorgvuldig gecontroleerd extern magnetisch veld op het BEC aan te brengen, waarbij een singulariteit met nul magnetisch veld in het centrum ontstond. Echter, zoals eerder vermeld, is een monopool energetisch instabiel.
Door de analyse van experimentele gegevens en simulaties, werd het volgende dramatische vervalproces onthuld:
- Generatie: Door manipulatie van het externe magnetische veld wordt een topologisch monopool gecreëerd.
- Deformatie: Bij het monopool-centrum moet de deeltjesdichtheid nul zijn, wat leidt tot een hoge energiekosten. Het systeem probeert deze energie te verlagen.
- Vorming van de Ring: De singulariteit expandeert van een punt naar een ‘ring’. Interessant is dat de kern van deze ring een sterk magnetische fase blijkt te zijn, wat in contrast staat met de omringende polariteitsfase.
- Stabilisatie: Hoewel de monopool binnen enkele milliseconden instort, blijkt de gecreëerde Alice Ring een ongelofelijke levensduur van meer dan 80 milliseconden te hebben.
Waarom is deze Ontdekking Belangrijk?
De ontdekking van de Alice Ring vertegenwoordigt niet slechts een zeldzaam fenomeen, maar heeft diepgaande implicaties over vele gebieden, van de deeltjesfysica tot de kosmologie.
1. Een Bewijsmodel voor Grote Unificatietheorieën (GUT)
De Alice Ring en monopolen zijn voorspeld in de context van GUT, die een gezamenlijke beschrijving van de fundamentele krachten in het universum (behalve de zwaartekracht) beoogt. Het ontdekken van de Alice Ring in de gecondenseerde materiefysica betekent dat het mogelijk is om de breking van symmetrie en defectvorming die in het vroege universum zou zijn opgetreden, hier op aarde te simuleren.
2. Topologische Bescherming en Kwantuminformatie
De lange levensduur van de Alice Ring (meer dan 20 keer langer dan de monopool) is cruciaal vanuit het perspectief van topologische bescherming. Structuren beschermd door topologie zijn bestand tegen externe ruis, wat toepassingen mogelijk maakt voor opslag van informatie in kwantumcomputers of voor het behoud van stabiele kwantumtoestanden.
3. Onbekende Interacties
Deze ontdekking opent de deur voor experimenten waarbij monopolen daadwerkelijk door de ring worden geïnverteerd, wat de volgende stap in het onderzoek zal zijn. Professor Möttönen stelt dat de creatie van de Alice Ring fundamenteel belangrijk is voor het verkennen van de diepste elementen van het universum, materie en informatie.
De wereld van de natuurkunde is als een ‘Wonderland’ geworden, waarin de principes van de kwantummechanica echte en verbluffende verschijnselen kunnen onthullen. De recente publicatie in Nature Communications biedt niet alleen inzicht in de instabiliteit van monopolen, maar ook in hun transformatie naar de stabiele Alice Ring, een demonstratie van de ‘vreemde gedragingen’ van kwantumdeeltjes die eindelijk onder controle zichtbaar zijn geworden voor de menselijke waarneming.
Wat zal er zichtbaar zijn aan de andere kant van de Alice Ring? Zal een monopool echt omgevormd worden in een anti-monopool als het deze ring doorkruist? Mensheid staat op het punt dieper in het konijnenhol van de kwantumtheorie te duiken en de werkelijkheid te onthullen die verborgen ligt binnenin.
