米国とフィンランドの研究チームが、超低温ガス中の謎めいた「アリス・リング(Alice Rings）」を初めて観測した。『不思議の国のアリス』にちなんで「アリス・リング」と呼ばれるこの奇妙な円形の磁気モノポールの一種は、量子現象の一種であり、これまでは理論上の存在でしかなかったものだ。理論的にはモノポール（単極子）を含め、量子力学から様々な力や粒子が発生する可能性がある。
不思議の国のアリス
モノポール（単極子）とは、単一の磁荷のみを持つ物質のことである。通常、磁石にはN極とS極が存在する。これは例え磁石を2つに割ったとしても同様で、単一の磁極を持つ物質はこれまで発見されていない。
だが、極微の量子世界では、単一の磁極を持つ、モノポール（単極子）と呼ばれる物体が存在することが判っている。実際に、今回のアリス・リングの研究にも参加した米国アマースト大学では2015年に絶対零度に冷却したルビジウム原子のガスを磁力で操作することで、量子レベルでのモノポール生成に成功している。
今回、有名な小説『不思議の国のアリス』にちなんで名付けられたこの観測は、量子論に重要な影響を与える可能性がある。「アリス・リング」のようなモノポールは、「様々な量子場が渦を巻き、周囲を引っ張ったり引っ張られたりしながら、独自のスタイルの一方的な磁気を生み出し、一瞬だけ目立つ短命の異常を生み出してから、再び渦の中に消えていくことによって形成されると考えられている」と、ScienceAlertは説明している。
フィンランドのアールト大学のモノポール・コラボレーションのMikko Möttönen氏は、ScienceAlertに次のように語った。「量子場にトポロジカルなモノポールを作ることができたのは我々が初めてです。トポロジカル・モノポールを作った後、それがどうなるかを詳しく調べるまでには、量子ノットや量子スキルミオンの研究にも時間がかかりました」。
最初の観測からわずか2年後、研究者たちはモノポールが他のタイプに変化することを発見して驚いた。最新の研究では、トポロジカル・モノポールが再び別のものに変化し、アリスの有名な「不思議の国」への入り口のような小さな開口部ができることを観測した。これらの構造は「アリス・リング」として理論的に存在が予言されていた。
「アリス・リング」はモノポールと連動しており、ループを形成すると片側の磁極に変化すると研究者たちは説明している。しかし、アリス・リングは典型的なモノポールよりも寿命が長く、”通常”の20倍である80ミリ秒以上持続する。
「遠くから見ると、”アリス・リング”はただのモノポールにしか見えませんが、リングの中心を覗き込むと、世界は別の形をしています」と、米国アマースト大学の物理学者David Hall氏は言う。
ボース・アインシュタイン凝縮（BEC）量子場の特異な磁気ループを通り抜けると、アリスの “姿見”のように、すべてがひっくり返る。他のモノポールが通過すると、そのモノポールは鏡像に変換され、リングが逆さまに反転するのだ。トポロジカル・モノポールの崩壊におけるリングの形成は、研究チームによって実験的に観測されたわけではないが、これはエキサイティングな進歩である。
姿見
実用的な観点からは、この発見がどのように利用されるかを判断するのは難しい。しかし、科学者たちが量子場の予測不可能な性質についてさらに理解を深めれば、その複雑さについての理解が深まり、現実の本質についての深い洞察が得られるだろう。
この “アリス・リング”の創造は、基本的な重要性を持っている。「宇宙、物質、情報の最も深い構成要素の探求に光とインスピレーションを投げかけているのです」とMöttönen氏は付け加えた。
論文
- Nature Communications: Observation of an Alice ring in a Bose–Einstein condensate
参考文献
- Aalt University: Quantum discovery offers glimpse into other-worldly realm
- via ScienceAlert: Mysterious Loops in The Fabric of Reality: Physicists Get First Glimpse of ‘Alice Rings’
研究の要旨
モノポールと渦は、広大な宇宙初期からネマチック液晶や超低温気体の実験室の小さな液滴に至るまで、サイズとエネルギーの巨大なスケールにまたがる物理系に現れる基本的なトポロジカル励起である。渦とモノポールのトポロジーは互いに異なるが、ある状況下では、モノポールが自発的かつ連続的に変形して渦輪となり、そこを通過するモノポールは反モノポールに変換されるという不思議な性質を持つ。しかし、連続場において実験的にアクセス可能なモノポールが少ないため、このようなアリスリングの観測は大きな課題となっている。ここでは、希薄気体87Rbボーズ-アインシュタイン凝縮体におけるトポロジカルモノポール欠陥の崩壊から生じるアリスリングの実験的証拠を示す。われわれの結果は、詳細な第一原理シミュレーションと一致し、モノポールと渦輪の両方のトポロジカルな特徴を併せ持つ複合励起のユニークな特徴を探る前例のない機会を提供するものである。
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