量子单极子的衰变

美国阿默斯特学院和芬兰阿尔托大学的研究者首次在实验中观测到了量子物质中孤立单极子的演化。

这一新研究展示了一个惊人的发现：量子单极子会衰变为另一种模拟磁单极子。实验中得到的对单极子机制的基础理解将有助于在未来创造磁单极子的更近似的模拟物。

不同于通常的磁体，磁单极子是一种只具有南磁极或者北磁极的基本粒子。理论上预测这种磁单极子是存在的，但并没有什么令人信服的实验观测。因此物理学家们转而寻找类似的物质。

阿默斯特学院的David Hall教授说道，在2014年，他们实验实现了狄拉克单极子，即保罗·狄拉克80年前提出的一个描述了带电量子粒子与磁单极子如何相互作用的理论

左图所示量子单极子在0.2s后衰变为右图所示的狄拉克单极子。不同的颜色表示原子内部磁性状态的方向，亮度则对应粒子密度。credit: 煎蛋画师六翼

阿尔托大学的Mikko Möttönen博士补充道，在2015年，他们创造了真正的量子单极子。

虽然狄拉克单极子实验模拟了单极磁场邻域中带电粒子的运动，量子单极子则在自身场域中具有点状结构，类似于磁单极子粒子的性质。

在1秒内从一种量子单极子到另一种

而今，David Hall和Mikko Möttönen领导的单极子合作实验观测到其中一种磁单极子模拟物如何在1秒内自发转换到另一种。

论文第一作者Tuomas Ollikainen说道：“这听起来容易，但我们需要改进仪器才能令其发生。”

研究者首先将极度稀薄的铷原子气体冷却到几近绝对零度，在此温度下形成玻色-爱因斯坦凝聚物。随后，研究者令系统处于无磁状态，将外部磁场零点施加到凝聚物中，创造孤立的量子单极子。然后保持零点，等待系统逐渐被磁化。最后量子单极子就会毁坏，产生狄拉克单极子。

Möttönen博士说道：“当我第一次看到从衰变中得到了狄拉克单极子时，我都跳起来了。这一发现将我们这些年制造的单极子很好地联系到了一起。”

诺贝尔奖的关系

量子单极子是所谓的拓扑点缺陷，即在非磁化凝聚态里，在空间中被一种结构包围、且无法通过连续变形来移除的一个点。这种结构与2016年的物理学诺贝尔奖有关。去年的这一奖项部分是由于发现了涉及量子漩涡的拓扑相变。

Hall教授解释道：“在超流体领域中，已经通过实验研究旋涡线数十年了。而单极子的实验研究才几年而已。”

量子单极子转变为狄拉克单极子的另一种情况。credit: 煎蛋画师六翼

虽然量子单极子被其拓扑结构保护着，但当整个物相从非磁化态变成磁化态时，量子单极子还是会衰变。

Ollikainen比喻道：“不管你做的冰雕有多么结实，但如果冰化掉了，还是会付之流水。”

Möttönen说道：“这是首次观测到狄拉克单极子和相关旋涡线的自发产生。”

论文原文： DOI:10.1103/PhysRevX.7.021023

本文译自 phys，由 CliffBao 编辑发布。