مجله علمی ایلیاد/ گروهی بین‌المللی از فیزیکدانان فنلاند و ایالات متحده اولین مشاهدات تجربی را بر روی دینامیک تک قطبی‌های جدا شده در ماده‌ی کوانتومی انجام دادند. نتایج این مطالعه در مجله‌ی Physical Review X منتشر شده است. تک قطبی‌های مغناطیسی برخلاف آهنرباهای معمولی ذرات ابتدایی هستند که فقط یک قطب مغناطیسی جنوبی یا شمالی دارند، نه هر دوی آن‌ها. از لحاظ نظری پیش‌بینی شده که این تک قطبی‌ها وجود دارند، اما هیچگونه مشاهده‌ی آزمایشی متقاعدکننده‌ای صورت نگرفته است.

«دیوید هال» نویسنده و استاد فیزیک در دانشکده امهرست، گفت: «در سال ۲۰۱۴، یک تک قطبی دیراک را به‌طور آزمایشی تشخیص دادیم، یعنی نظریه‌ی هشتاد ساله‌ی پلدیراک مبنی بر اینکه ذرات کوانتومیِ باردار با تک قطبی مغناطیسی در فعل و انفعال هستند.»

نویسنده‌ی دیگر دکتر «میکو موتونن»، استاد محاسبات کوانتومی در دانشگاه یووسکوله و دانشمند ارشد گروه فیزیک کاربردی در دانشگاه آلتو، افزود: «در سال ۲۰۱۵ تک قطبی‌های کوانتومی واقعی را ساختیم. درحالی‌که آزمایش تک قطبی دیراک در واقع حرکت ذره‌ی باردار در مجاورت میدان مغناطیسی تک قطبی را شبیه‌سازی می‌کند، تک قطبی کوانتومی در میدان خود دارای ساختار نقطه مانندی است که مشابه‌ی ذره‌ی تک قطبی مغناطیسی است.»

اکنون این گروه مشاهده کرده که یکی از این آنالوگ‌های تک قطبی مغناطیسی منحصربه‌فرد چگونه در کمتر از یک ثانیه خود به خود به تک قطبی مغناطیسی دیگر تبدیل می‌شود. اولین نویسنده‌ی مطالعه، «توماس اولیکانن»، دانشجوی دکترا در دانشگاه آلتو گفت: «این کار آسان به‌نظر می‌رسد، اما ما واقعاً باید دستگاه را ارتقا می‌دادیم تا این کار عملی شود.»

محققان توضیح دادند: «با گازِ به شدت رقیقِ اتم‌های روبیدیوم که تا صفر مطلق خنک شدند، شروع به کار کردیم؛ این گاز در این دما چگالش بوز-اینشتین را ایجاد می‌کند. سپس سیستم را در وضعیت غیرمغناطیسی آماده کردیم و نقطه‌ی صفر میدان مغناطیسی خارجی را چگالیده کردیم و در نتیجه تک قطبی کوانتومی جدا شده را به‌وجود آوردیم. پس از آن، نقطه‌ی صفر را ثابت نگه داشتیم و منتظر ماندیم سیستم در میدان مغناطیسی متغیر به تدریج مغناطیسی شود.»

به گفته آن‌ها، تخریبِ تک قطبی کوانتومی در واقع تک قطبی دیراک را به‌وجود می‌آورد. تک قطبی کوانتومی مشکل به اصطلاح توپولوژیکی است، یعنی نقطه‌ای در فضا که با یک ساختار در وضعیت غیرمغناطیسیِ چگالیده احاطه شده که با شکل‌دهی مجددِ مداوم حذف نمی‌شود. چنین ساختارهایی به جایزه‌ی نوبل فیزیک سال ۲۰۱۶ مربوط می‌شوند؛ بخشی از این جایزه به کشفیات تغییرات فاز توپولوژیکی که مستلزم گرداب‌های کوانتومی یا گردابه‌ها بودند اعطا شده است.

استاد هال گفت: «خطوط گردابه به مدت چندین دهه در ابرسیال‌ها به‌طور تجربی مطالعه شده‌اند.» توپولوژی تک قطبی کوانتومی از آن محافظت می‌کند، اما می‌تواند به آن آسیب برساند، زیرا کل فازِ ماده از حالت غیرمغناطیسی به حالت مغناطیسی تغییر می‌کند. اولیکانن گفت: «مهم نیست مجسمه‌ی یخی چقدر محکم باشد، وقتی یخ ذوب می‌شود، قطره قطره چکه می‌کند.» دکتر موتونن گفت: «برای اولین‌بار تک قطبی‌های دیراک که بهطور خود به خودی ظاهر می‌شوند و خطوط گردابهی مربوطه را مشاهده کردیم.