04.02.2014
Магнитный монополь — это гипотетическая частица, обладающая магнитным зарядом, словно отдельно живущий полюс магнита. По аналогии с электрическим зарядом, монополь является источником расходящегося во все стороны магнитного поля (см. иллюстрации в задаче Способности магнитного монополя). Теоретически магнитные монополи, в принципе, возможны, но необязательны, поэтому до сих пор вообще неизвестно — существуют они в природе или нет. В эксперименте такие частицы физикам пока не встречались, хотя поиски магнитных монополей ведутся почти век. Если хоть один настоящий магнитный монополь обнаружится, это будет иметь огромные последствия для современной физики.
Несмотря на такое положение дел, физики в последние годы довольно регулярно сообщают об экспериментальных исследованиях монополей. Парадокса тут никакого нет: все те объекты, про которые физики говорят, — это не новые элементарные частицы, не настоящие магнитные монополи, а некие объекты, которые в чем-то на них похожи.
Некоторые примеры таких «не вполне монополей» уже встречались в наших новостях. Например, длинная тонкая намагниченная игла создает вблизи своих концов магнитное поле, очень напоминающее поле от монополя. Вдали от концов эта аналогия нарушается, но если проводить эксперименты именно вблизи них, то можно наблюдать эффекты, аналогичные монопольным (см. рис. 7 в статье Закрученный свет и закрученные электроны: обзор последних результатов). Другой пример мы приводили в недавней новости: в спиновом льду при низких температурах электроны кристаллической решетки организуются в такую сеть, которая с точки зрения магнетизма напоминает газ из свободных магнитных монополей (см.: Разработана новая методика получения магнитных монополей в спиновом льду, «Элементы», 29.01.2014). Но эта картина работает только внутри вещества — ведь эти монополи не настоящие новые частицы, а просто особые коллективные состояния электронов. Существуют и другие примеры таких коллективных образований (см., например, статью P. Minde et al. 2013. Unwinding of a Skyrmion Lattice by Magnetic Monopoles).
На днях в журнале Nature была опубликована статья, в которой сообщается о реализации еще одного примера системы, которая в чем-то ведет себя наподобие магнитного монополя. Поскольку эта публикация всколыхнула СМИ и стала поводом для многочисленных неточных сообщений, лишний раз подчеркнем — это ни в коей мере не настоящий магнитный монополь. Утверждения СМИ (а также заявления в исходном пресс-релизе) в духе «после 80 лет поисков долгожданный монополь наконец-то обнаружен» — попросту неверные. «Тот самый» настоящий магнитный монополь, который искали и ищут, в этом эксперименте не найден; здесь речь идет лишь о создании объекта, который в каком-то смысле напоминает монополь.
Более того, можно сказать, что это еще более ненастоящий магнитный монополь, чем объекты в предыдущих примерах. Если те примеры относились, по крайней мере, к реальному магнетизму, то этот — к так называемому синтетическому магнитному полю. И это необычное понятие уже само по себе требует пояснения.
Синтетическое магнитное поле
Очень трудно объяснить без формул, что это за зверь такой — синтетическое магнитное поле. Тем не менее попробуем передать, в грубом приближении, хотя бы самую общую идею.
Для современной физики обычные электрические и магнитные поля — это не две разных «сущности», а лишь проявления единого электромагнитного поля. Главную роль в электромагнетизме играет электромагнитный вектор-потенциал, а поля — это его вторичные проявления. В частности, магнитное поле — это результат пространственной завихренности вектор-потенциала. Взаимодействие заряженных частиц с магнитным полем можно (и удобнее всего) записывать именно с помощью вектор-потенциала.
Теперь представьте себе, что у вас есть какая-то физическая система с распределенной в пространстве характеристикой. Она может не иметь вообще никакого отношения к электромагнитным процессам, но по чистой случайности может оказаться, что она подчиняется тем же уравнениям, что и вектор-потенциал. Если к тому же она обеспечивает взаимодействие с другими частицами по формулам, которые ожидаются от потенциала, то эту характеристику и называют синтетическим потенциалом. Она может иметь какое-то необычное распределение в пространстве, например завихренное, и тогда ее завихренность (а это тоже вектор) называют синтетическим магнитным полем.
Всё это, конечно, звучит слишком уж абстрактно — но в этом как раз и заключается часть правды. Синтетическое магнитное поле — это такое «нечто», которое подчиняется тем же формулам, что и настоящее магнитное поле, пусть даже оно к магнетизму не имеет отношения. Это некий математический мостик, который связывает две разные физические системы. И это хорошо: экспериментируя с этой системой, мы можем создавать какие-то необычные магнитные ситуации, которые в случае настоящего магнетизма получать затруднительно.
Физикам удалось найти подходящую систему, в которой есть синтетические магнитные поля, — это атомный бозе-конденсат, разреженное и сверххолодное облачко газа тяжелых атомов, которое находится в едином квантовом состоянии. В таком конденсате может возникнуть сверхтекучесть — способность течь без трения и остановки (см. пояснения и ссылки в новости Физики близки к созданию закрученных волн материи, «Элементы», 19.09.2013). Скорость сверхтекучего движения и является синтетическим вектор-потенциалом, а завихренность сверхтекучести — синтетическим магнитным полем.
Синтетический монополь
В принципе, связь между вращением и эффективным магнетизмом существовала давно, только в обычных ситуациях она не особо интересна. Например, вы можете придать вращение облачку бозе-конденсата вокруг вертикальной оси (подробности — в уже упоминавшейся новости). Тогда можно сказать, что появилось вертикальное синтетическое магнитное поле, но только в этой картине ничего необычного нет.
Главным достижением физиков, ставшим поводом для публикации в Nature, стало создание необычной трехмерной картины сверхтекучего движения. На рис. 1 схематично показано облачко бозе-конденсата, вращающееся в горизонтальной плоскости, в котором скорость сверхтекучего вращения (она показана цветом) зависит от местоположения. Если вычислить вектор завихренности, то окажется, что он в каждой точке смотрит прочь от центра конденсата и плавно уменьшается с удалением от него. Завихренность — это синтетическое магнитное поле (оно показано стрелками на рис. 1), и, значит, в таком неравномерно закрученном конденсате возник аналог поля, совпадающий с полем от (синтетического же) магнитного монополя.
Тот факт, что речь тут идет про сверхтекучее движение в конденсате, про некое движение того квантового состояния, в котором конденсат находится, усложняет экспериментальную реализацию. Конденсат — это не вода в стакане, его просто так не закрутишь (опять же, см. технические ухищрения, описанные в недавней новости). Получить такую неравномерную закрученность конденсата исследователям в этой работе помогло... настоящее магнитное поле.
В бозе-конденсате реализован синтетический магнитный монополь
Монополь монополю розньМагнитный монополь — это гипотетическая частица, обладающая магнитным зарядом, словно отдельно живущий полюс магнита. По аналогии с электрическим зарядом, монополь является источником расходящегося во все стороны магнитного поля (см. иллюстрации в задаче Способности магнитного монополя). Теоретически магнитные монополи, в принципе, возможны, но необязательны, поэтому до сих пор вообще неизвестно — существуют они в природе или нет. В эксперименте такие частицы физикам пока не встречались, хотя поиски магнитных монополей ведутся почти век. Если хоть один настоящий магнитный монополь обнаружится, это будет иметь огромные последствия для современной физики.
Несмотря на такое положение дел, физики в последние годы довольно регулярно сообщают об экспериментальных исследованиях монополей. Парадокса тут никакого нет: все те объекты, про которые физики говорят, — это не новые элементарные частицы, не настоящие магнитные монополи, а некие объекты, которые в чем-то на них похожи.
Некоторые примеры таких «не вполне монополей» уже встречались в наших новостях. Например, длинная тонкая намагниченная игла создает вблизи своих концов магнитное поле, очень напоминающее поле от монополя. Вдали от концов эта аналогия нарушается, но если проводить эксперименты именно вблизи них, то можно наблюдать эффекты, аналогичные монопольным (см. рис. 7 в статье Закрученный свет и закрученные электроны: обзор последних результатов). Другой пример мы приводили в недавней новости: в спиновом льду при низких температурах электроны кристаллической решетки организуются в такую сеть, которая с точки зрения магнетизма напоминает газ из свободных магнитных монополей (см.: Разработана новая методика получения магнитных монополей в спиновом льду, «Элементы», 29.01.2014). Но эта картина работает только внутри вещества — ведь эти монополи не настоящие новые частицы, а просто особые коллективные состояния электронов. Существуют и другие примеры таких коллективных образований (см., например, статью P. Minde et al. 2013. Unwinding of a Skyrmion Lattice by Magnetic Monopoles).
На днях в журнале Nature была опубликована статья, в которой сообщается о реализации еще одного примера системы, которая в чем-то ведет себя наподобие магнитного монополя. Поскольку эта публикация всколыхнула СМИ и стала поводом для многочисленных неточных сообщений, лишний раз подчеркнем — это ни в коей мере не настоящий магнитный монополь. Утверждения СМИ (а также заявления в исходном пресс-релизе) в духе «после 80 лет поисков долгожданный монополь наконец-то обнаружен» — попросту неверные. «Тот самый» настоящий магнитный монополь, который искали и ищут, в этом эксперименте не найден; здесь речь идет лишь о создании объекта, который в каком-то смысле напоминает монополь.
Более того, можно сказать, что это еще более ненастоящий магнитный монополь, чем объекты в предыдущих примерах. Если те примеры относились, по крайней мере, к реальному магнетизму, то этот — к так называемому синтетическому магнитному полю. И это необычное понятие уже само по себе требует пояснения.
Синтетическое магнитное поле
Очень трудно объяснить без формул, что это за зверь такой — синтетическое магнитное поле. Тем не менее попробуем передать, в грубом приближении, хотя бы самую общую идею.
Для современной физики обычные электрические и магнитные поля — это не две разных «сущности», а лишь проявления единого электромагнитного поля. Главную роль в электромагнетизме играет электромагнитный вектор-потенциал, а поля — это его вторичные проявления. В частности, магнитное поле — это результат пространственной завихренности вектор-потенциала. Взаимодействие заряженных частиц с магнитным полем можно (и удобнее всего) записывать именно с помощью вектор-потенциала.
Теперь представьте себе, что у вас есть какая-то физическая система с распределенной в пространстве характеристикой. Она может не иметь вообще никакого отношения к электромагнитным процессам, но по чистой случайности может оказаться, что она подчиняется тем же уравнениям, что и вектор-потенциал. Если к тому же она обеспечивает взаимодействие с другими частицами по формулам, которые ожидаются от потенциала, то эту характеристику и называют синтетическим потенциалом. Она может иметь какое-то необычное распределение в пространстве, например завихренное, и тогда ее завихренность (а это тоже вектор) называют синтетическим магнитным полем.
Всё это, конечно, звучит слишком уж абстрактно — но в этом как раз и заключается часть правды. Синтетическое магнитное поле — это такое «нечто», которое подчиняется тем же формулам, что и настоящее магнитное поле, пусть даже оно к магнетизму не имеет отношения. Это некий математический мостик, который связывает две разные физические системы. И это хорошо: экспериментируя с этой системой, мы можем создавать какие-то необычные магнитные ситуации, которые в случае настоящего магнетизма получать затруднительно.
Физикам удалось найти подходящую систему, в которой есть синтетические магнитные поля, — это атомный бозе-конденсат, разреженное и сверххолодное облачко газа тяжелых атомов, которое находится в едином квантовом состоянии. В таком конденсате может возникнуть сверхтекучесть — способность течь без трения и остановки (см. пояснения и ссылки в новости Физики близки к созданию закрученных волн материи, «Элементы», 19.09.2013). Скорость сверхтекучего движения и является синтетическим вектор-потенциалом, а завихренность сверхтекучести — синтетическим магнитным полем.
Синтетический монополь
В принципе, связь между вращением и эффективным магнетизмом существовала давно, только в обычных ситуациях она не особо интересна. Например, вы можете придать вращение облачку бозе-конденсата вокруг вертикальной оси (подробности — в уже упоминавшейся новости). Тогда можно сказать, что появилось вертикальное синтетическое магнитное поле, но только в этой картине ничего необычного нет.
Главным достижением физиков, ставшим поводом для публикации в Nature, стало создание необычной трехмерной картины сверхтекучего движения. На рис. 1 схематично показано облачко бозе-конденсата, вращающееся в горизонтальной плоскости, в котором скорость сверхтекучего вращения (она показана цветом) зависит от местоположения. Если вычислить вектор завихренности, то окажется, что он в каждой точке смотрит прочь от центра конденсата и плавно уменьшается с удалением от него. Завихренность — это синтетическое магнитное поле (оно показано стрелками на рис. 1), и, значит, в таком неравномерно закрученном конденсате возник аналог поля, совпадающий с полем от (синтетического же) магнитного монополя.
Тот факт, что речь тут идет про сверхтекучее движение в конденсате, про некое движение того квантового состояния, в котором конденсат находится, усложняет экспериментальную реализацию. Конденсат — это не вода в стакане, его просто так не закрутишь (опять же, см. технические ухищрения, описанные в недавней новости). Получить такую неравномерную закрученность конденсата исследователям в этой работе помогло... настоящее магнитное поле.