Suomen ja Yhdysvaltain fyysikot ovat luoneet ja kuvanneet epätavallisen kvanttiobjektin, eräänlaisen magneettisen pyörteen, joka on ulkonäöltään ja ominaisuuksiltaan samanlainen kuin tavallinen pallovalaisin, Science Science -lehdessä julkaistun artikkelin mukaan.
”On erittäin yllättävää, että pystyimme luomaan synteettisen sähkömagneettisen solmun, kvanttipallovalaistuksen, käyttämällä vain kahta vastakkain suunnattua sähkövirtausta. Kaikki tämä viittaa siihen, että tällaista luonnollista pallo salamaa voi tapahtua myös tavallisten salamaniskujen seurauksena”, Mikko Möttönen Helsingin Aalto-yliopistosta kertoo.
Pallo salama on hehkuva plasmapallot, joka latautuu sähköllä. Ne ilmestyvät ajoittain ilmakehään ukkosmyrskyjen aikana ja elävät paljon kauemmin kuin tavallinen salama. Kuinka tarkalleen ne syntyvät ja mitkä prosessit hallitsevat heidän liikkumistaan, tutkijat eivät vielä tiedä ja ovat keskustelleet luonteestaan lähes puolitoista vuosisataa.
Möttenen ja hänen kollegansa ehdottavat, että pallovalaistus ei ole vain luonteeltaan sähköinen, vaan myös kvantti, luomalla täydellisen analogin tälle "luonnon mysteerille", kokeilemalla nk. Skyrmioneja, jotka ovat kvantimaailman erikoiskohteita.
Skyrmionit ovat erityisiä hypoteettisia ainehiukkasia, joilla on epätavalliset magneettiset ominaisuudet, jotka tekevät niistä näyttämään kuin eräänlainen "siili" tai mikroskooppinen pyörre. Tällaisen “siilin” neulojen kärjet tai hurrikaanin reuna ovat positiivisesti varautuneita, ja “eläimen” ruumis tai hurrikaanin keskuksessa on negatiivinen varaus.
Sellaisilla kvantti "siilillä" on fyysikoiden mukaan erittäin korkea stabiilisuus, mikä mahdollistaa niiden käytön kestävinä ja taloudellisina muistisoluina tulevaisuuden spin- ja kvantitietokoneille, samoin kuin aikamme tavanomaisiin tietokoneisiin.
Tutkijat eivät ole vielä löytäneet tai luoneet "oikeita" skyrmioneja, ja niiden lähimmät analogit ovat erityisiä kaksiulotteisia rakenteita ohuiden kalvojen sisällä, jotka on valmistettu magneettisista materiaaleista tai erityisistä aineista, kuten mangaanisilidi. Tällaiset pyörteet syntyvät itsessään erityisissä olosuhteissa, esimerkiksi lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollaa.
Kaavio kolmiulotteisesta skyrmionista, kvantikvaasikappale / Lee et ai. / Science Advances 2018.
Mainosvideo:
Suomalaiset ja amerikkalaiset fyysikot ovat luoneet näistä hiukkasista uuden version, jolla on pikemminkin kolmiulotteinen kuin kaksiulotteinen luonne, käyttämällä toista kvantti-ainetta - ns. Bose-Einstein -kondensaattia.
Se on ominaisuuksiltaan epätavallinen muoto, samanlainen kuin kaasu ja neste, joka käyttäytyy kuin yksi jättiläinen atomi ja jolla on tyypillisiä "atomi" -ominaisuuksia. Tyypillisesti tutkijat saavat sen jäähdyttämällä rubidium- ja muiden alkalimetalliatomipilvien lämpötiloihin, jotka ovat lähellä absoluuttista nollaa.
Kuten Möttenen ja hänen kollegansa ovat todenneet, tästä keinotekoisesta atomista voidaan muuttaa skyrmionin kolmiulotteinen analogi asettamalla se vahvan magneettikentän sisään ja muuttamalla jokaisen todellisen atomin spin-aseman sijainti erityisellä tavalla. Kun tämä kenttä "poistetaan käytöstä", Bose-Einstein-kondensaatin sisälle ilmestyy erityinen kvanttirakenne, jolla on sama solmuun punottu sähkömagneettisten kenttien kokoonpano kuin pallon salaman kanssa.
Sen tärkein epätavallinen ominaisuus, kuten fyysikko toteaa, on, että se on sellaisessa muodossa epätavallisen pitkään kvanttikohteelle, satoja mikrosekuntia. Tämä viittaa Möttenenin mukaan siihen, että kolmiulotteiset skyrmionit voivat olla pallovalaistuksen "ydin", joka myös elää epätavallisen pitkään verrattuna tavallisiin salamanpurkauksiin.