Fizycy z Finlandii i Stanów Zjednoczonych stworzyli i sfotografowali niezwykły obiekt kwantowy, rodzaj wiru magnetycznego, który jest podobny w wyglądzie i właściwościach do zwykłego pioruna kulowego, zgodnie z artykułem opublikowanym w czasopiśmie Science Advances.
„To niezwykle zaskakujące, że udało nam się stworzyć syntetyczny węzeł elektromagnetyczny, błyskawicę w postaci kuli kwantowej, używając tylko dwóch przeciwnie skierowanych przepływów prądu elektrycznego. Wszystko to sugeruje, że naturalne pioruny tego typu mogą również wystąpić w wyniku konwencjonalnych uderzeń pioruna”- mówi Mikko Möttönen z Uniwersytetu Aalto w Helsinkach (Finlandia).
Pioruny kulowe to kule rozżarzonej plazmy naładowane elektrycznością. Okresowo pojawiają się w atmosferze podczas burz i żyją znacznie dłużej niż zwykłe błyskawice. Jak dokładnie powstają i jakie procesy kontrolują ich ruch, naukowcy jeszcze nie wiedzą i spierają się o ich naturę od prawie półtora wieku.
Möttenen i jego koledzy sugerują, że błyskawica kulowa jest nie tylko elektryczna, ale także kwantowa, tworząc kompletny odpowiednik tej „tajemnicy natury”, eksperymentując z tak zwanymi skyrmionami, specjalnymi obiektami świata kwantowego.
Skyrmiony to specjalne, hipotetyczne cząsteczki materii o niezwykłych właściwościach magnetycznych, które sprawiają, że wyglądają jak rodzaj "jeża" lub mikroskopijnego wiru. Czubki igieł takiego „jeża” czy krawędź huraganu są naładowane dodatnio, a ciało „zwierzęcia”, czyli epicentrum huraganu, jest naładowane ujemnie.
Takie kwantowe „jeże”, zdaniem fizyków, charakteryzują się niezwykle wysoką stabilnością, co pozwala na wykorzystanie ich jako trwałych i ekonomicznych komórek pamięci przyszłych komputerów spinowych i kwantowych, a także konwencjonalnych komputerów naszych czasów.
Naukowcy nie odkryli jeszcze ani nie stworzyli „prawdziwych” skyrmionów, a ich najbliższymi analogami są specjalne dwuwymiarowe struktury wewnątrz cienkich warstw wykonanych z materiałów magnetycznych lub specjalnych substancji, takich jak krzemionek manganu. Takie wiry powstają w nich same w sobie w specjalnych warunkach, na przykład w temperaturach bliskich zeru absolutnemu.
Diagram trójwymiarowego skyrmionu, kwantowej kwazicząstki / Lee et al. / Science Advances 2018.
Film promocyjny:
Fińscy i amerykańscy fizycy stworzyli nową wersję tych cząstek, która ma raczej trójwymiarowy niż dwuwymiarowy charakter, wykorzystując inną substancję kwantową - tak zwany kondensat Bosego-Einsteina.
Jest to niezwykła forma materii w swoich właściwościach, podobna do gazu i cieczy, która zachowuje się jak jeden olbrzymi atom i ma typowe właściwości „atomowe”. Zazwyczaj naukowcy uzyskują to przez schłodzenie chmury rubidu i innych atomów metali alkalicznych do temperatur bliskich zeru absolutnemu.
Jak odkryli Möttenen i jego koledzy, ten sztuczny atom można przekształcić w trójwymiarowy analog skyrmionu, umieszczając go w silnym polu magnetycznym i zmieniając w specjalny sposób położenie spinu każdego prawdziwego atomu w nim. Kiedy to pole jest „wyłączane”, wewnątrz kondensatu Bosego-Einsteina pojawia się specjalna struktura kwantowa, która ma taką samą konfigurację pól elektromagnetycznych splecionych w węzeł jak błyskawica kulowa.
Jego główną niezwykłą właściwością, jak zauważa fizyk, jest to, że istnieje w takiej postaci przez niezwykle długi czas jak na obiekt kwantowy, kilkaset mikrosekund. To, zdaniem Möttenena, sugeruje, że trójwymiarowe skyrmiony mogą być „rdzeniem” błyskawicy kulistej, która również żyje niezwykle długo w porównaniu ze zwykłymi wyładowaniami piorunowymi.