¿Son separables los monopolos de Dirac observados recientemente?

Acabo de pasar por la Observación de los monopolos de Dirac en un campo magnético sintético .

¿Qué se ha observado exactamente?

Más importante aún, ¿estos monopolos están localizados dentro del aparato (no salen líneas de campo de monopolo perdidas) o pueden usarse para crear monopolos tangibles? (Por monopolos tangibles me refiero a un objeto que es en general un monopolo sin ninguna influencia externa. Puede contener un condensado o similar en su interior)

Lo que entiendo es que es solo una simulación. El polo norte que creó el equipo no es magnético en ningún sentido convencional: la aguja de una brújula no apuntaría hacia él.
El problema es la palabra "sintético". Un químico "sintético" sigue siendo realmente un químico, PERO un campo magnético "sintético" no es un campo magnético real.
@KevinKostlan pensó que sí. ¿Te importaría expandir eso en una respuesta?
Estaba igualmente entusiasmado con la 'observación' de los fermiones de Majorana , pero también resultó ser una excitación de estado sólido que se describe mediante una construcción matemática similar, sin ninguna de las ramificaciones innovadoras.

Respuestas (3)

Permítanme aclarar que el experimento reciente NO implica la detección de un verdadero monopolo magnético. De alguna manera, con toda la emoción, la palabra "sintético" se eliminó rápidamente de la frase "campo magnético sintético".

Un campo magnético sintético es una cantidad física que obedece a las mismas ecuaciones que un campo magnético, típicamente realizado en cosas como el campo de velocidad de los átomos dentro de un BEC. El artículo reciente afirma la observación del análogo de un monopolo de Dirac en tal cantidad, y es un resultado significativo en el campo de la simulación cuántica. Sin embargo, su experimento está hecho completamente de átomos y, por lo tanto, de protones, neutrones y electrones. No puede tener ningún flujo magnético dentro o fuera de ninguna región dentro o alrededor de él, y no viola las leyes del electromagnetismo. De hecho, está construido dentro de ellos.

Los campos magnéticos sintéticos se explican muy bien en esta revisión:

Coloquio: Potenciales de calibre artificiales para átomos neutros. Jean Dalibard et al. Rev.Mod. física 83 núm. 4, 1523–1543 (2011) . arXiv:1008.5378 .

Describen un modelo de juguete simple que captura, creo, los conceptos básicos del experimento reciente.

Considere un átomo de dos niveles que está bajo la influencia de un campo externo que acopla sus dos estados internos. Su hamiltoniano se puede escribir como

H = ( PAGS 2 2 metro + V ) + tu ,
donde la parte entre paréntesis no se acopla al estado interno, y
tu = ℏ Ω 2 ( porque ⁡ θ mi − i ϕ pecado ⁡ θ mi i ϕ pecado ⁡ θ − porque ⁡ θ )
en el suelo - base de estado excitado { | gramo ⟩ , | mi ⟩ } . En tal esquema Ω es la frecuencia Rabi y determina la fuerza del acoplamiento; ϕ es la fase del láser que se utiliza para acoplar los estados; y θ se denomina ángulo de mezcla y determina si el acoplamiento actúa más como un cambio de Stark (en θ = 0 ), más como un acoplamiento puro (en θ = π / 2 ), o en algún punto intermedio. La distinción entre esos regímenes depende de la desafinación de la transición atómica, y puede variar con la posición del átomo. r .

El juego aquí es hacer que el átomo se mueva lo suficientemente lento como para que siempre permanezca en el estado fundamental del hamiltoniano atómico inducido por láser. tu . Este es el primero de los dos estados propios.

| x 1 ⟩ = ( porque ⁡ ( θ / 2 ) mi i ϕ pecado ⁡ ( θ / 2 ) ) , | x 2 ⟩ = ( − mi − i ϕ pecado ⁡ ( θ / 2 ) porque ⁡ ( θ / 2 ) ) ,
que dependen de la posición r a través de los parámetros del láser θ y ϕ . Si varía estos parámetros con la suficiente lentitud, permanecerá en el mismo estado propio en el que comenzó, sin transiciones no adiabáticas.

Más precisamente, porque los estados | x j ⟩ son una base, siempre se puede escribir la función de onda del átomo como

| Ψ ( r , t ) ⟩ = ⟨ r | Ψ ( t ) ⟩ = ∑ j ψ j ( r , t ) | x j ( r ) ⟩ .
(Tenga en cuenta que este es el estado interno dependiente de la posición, que se puede obtener del estado completo | Ψ ( t ) ⟩ al proyectar en un estado de posición | r ⟩ .) Si la dispersión de la velocidad del átomo es lo suficientemente pequeña, nunca pasará a | x 2 ⟩ y uno puede describir el sistema simplemente en términos de una sola ecuación de Schrödinger para ψ 1 ( r , t ) .

Para obtener esa ecuación, primero debe trabajar rigurosamente con el estado completo y luego descartar la posibilidad de transiciones. Así, si actúas con el impulso PAGS = − i ℏ ∇ en el componente ψ j ( r , t ) | x j ( r ) ⟩ , obtendrás aportes de ambos factores:

∇ [ ψ j ( r , t ) | x j ( r ) ⟩ ] = ( ∇ ψ j ( r , t ) ) | x j ( r ) ⟩ + ψ j ( r , t ) ∇ r | x j ( r ) ⟩ .
Multiplicando por la izquierda con la relación de completitud ∑ i | x i ⟩ ⟨ x i | , podemos obtener una bonita expresión para la acción del impulso:
PAGS ψ j ( r , t ) | x j ( r ) ⟩ = ∑ i | x i ⟩ [ d i j PAGS − A i j ] ψ j ( r , t ) ,
dónde A i j = i ℏ ⟨ x i | ∇ r | x j ⟩ es, en términos generales, la velocidad a la que pueden ocurrir transiciones no adiabáticas. Punteando esto nuevamente con el operador de cantidad de movimiento, se obtiene
PAGS 2 ψ j ( r , t ) | x j ( r ) ⟩ = ∑ yo , i | x yo ⟩ ( d yo i PAGS − A yo i ) ( d i j PAGS − A i j ) ψ j ( r , t ) ,
siempre que se pueda despreciar un término en ∇ ⋅ A i j = i ℏ ∇ ⋅ ⟨ x i | ∇ r x j ⟩ . Esto corresponde a decir que la variación del potencial solo es relevante de primer orden en los momentos bajos abarcados por Ψ .

Uno puede entonces despreciar la posibilidad de transiciones y simplemente ignorar todos los términos que tienen | x 2 ⟩ en ellos. (O puede que no, en cuyo caso puede intentar construir campos de calibre no abelianos). Si hace esto, todas las sumas desaparecen y obtiene la ecuación de Schrödinger simple

i ℏ ∂ ψ 1 ∂ t = [ 1 2 metro ( PAGS − A ) 2 + V + ℏ Ω 2 + W . ] ψ 1

Esta ecuación es idéntica en forma a la de una sola partícula bajo la acción del antiguo potencial V , un 'potencial electrostático'

W = ℏ 2 2 metro | ⟨ x 2 | ∇ x 1 ⟩ | 2
que mide las transiciones virtuales desde | x 1 ⟩ a | x 2 ⟩ y viceversa, y un campo magnético con potencial vectorial
A = i ℏ ⟨ x 1 | ∇ r | x 1 ⟩ .
Este campo magnético será distinto de cero siempre que θ y ϕ ambos tienen una dependencia espacial significativa con gradientes no colineales.

Lo que es más importante, este "campo magnético" depende de parámetros controlables experimentalmente a través de θ ( r ) y ϕ ( r ) . Si uno puede construir un experimento lo suficientemente inteligente, el 'campo' B , que es realmente el campo vectorial

∇ × ⟨ x 1 | ∇ x 1 ⟩ ,
puede exhibir un comportamiento monopolar. Uno puede crear monopolos 'acoplados' (es decir, separados por una cadena de Dirac finita) o incluso sacar uno de ellos de la nube para hacer un monopolo de Dirac 'verdadero' en lo que respecta a la nube. Tengo entendido que este es el caso del experimento reciente. Por supuesto, esto no implica que ningún flujo magnético real neto esté saliendo de ese aparato.

En un verdadero monopolo magnético, la cuerda de Dirac es completamente inobservable, incluso en teoría. La cadena no es algo real, solo una forma de describir algunas de las manipulaciones matemáticas. ¿Es ese el caso aquí también?
@SteveB No estoy seguro de si ese es el caso, pero me inclino a pensar que no será observable.

Después de leer este artículo, me estrujé el cerebro tratando de encontrar la analogía perfecta. Baste decir que fracasé, así que aquí está mi respuesta menos que ideal.

El monopolo creado y mencionado en este artículo no es un verdadero monopolo de Dirac. No es más un monopolo real que una cámara de prueba de vacío térmico es el espacio exterior. Es decir, es un objeto creado artificialmente que exhibe la mayoría de las propiedades deseables de un monopolo de Dirac, específicamente las propiedades con las que muchos científicos realmente quieren experimentar. Aunque no soy un físico de partículas y no trabajo mucho con teorías que involucran monopolos, me pareció que el monopolo estaba localizado; no había flujo neto de campo magnético dentro o fuera del laboratorio. En cambio, a menudo se refieren a que es monopolar dentro del alcance de un campo magnético sintético derivado, no un verdadero campo magnético como señaló jinawee en los comentarios.

Dicho esto, este sigue siendo un gran avance. Esto representa que los científicos tienen la capacidad de crear algo en un laboratorio que, cuando se usa en ciertos experimentos, se comportaría tal como esperamos que lo haga un monopolo de Dirac real.

Editar:

Probablemente debería haber señalado que solo describen la producción de un tipo de polo a la vez (creo que específicamente los polos del norte), por lo que si fueran verdaderos monopolos, habría un flujo neto de campo magnético dentro y fuera del laboratorio. .

¿Por qué es un gran avance?
@MitchellPorter realizando experimentos en algo que imita las propiedades del monopolo de Dirac (aunque solo sea en un campo magnético sintético) aún nos dará una gran idea de los monopolos de Dirac reales, lo que puede ayudarnos a determinar cómo hacerlos, dónde encontrarlos o si existieran en la naturaleza. Entre una multitud de muchas otras aplicaciones posibles. Eso, al menos para mí, constituye un gran avance.

No es un monopolo, es solo un artefacto. Nótese que cualquier suma de aportes dipolares de campo magnético (espín, bobinas, imanes…) debe ser dipolar o de campo magnético de orden superior, en ningún caso podrá ser monopolar. Es decir, no es posible construir un campo monopolar como una superposición de contribuciones dipolares (o de orden superior). El artefacto que los autores reclaman como un monopolo de Dirac no es eso. Es simplemente una colección de espín atómico que invierte la dirección cuando el campo externo gira. Íntimamente unidas con cada imán de espín están las líneas de campo magnético cerrado que el autor no dibujó. ¿Será acaso la presión de publicar artículos bajo este tipo de artículos?

¡Bienvenido a la física.SE! Escribiste: "en todo caso podría ser monopolar" Creo que querías decir que en ningún caso podría ser monopolar.
Sí lo siento. No es posible construir un campo monopolar como una superposición de contribuciones dipolares (o de orden superior).
En ese caso, debe editar su respuesta, por favor. Gracias.
No creo que hayas revisado el papel con cuidado. El monopolo observado esta vez no está construido por una superposición de dipolos. Es un solo monopolo separable del campo de calibre sintético.
No, explico aquí con más detalle mi comentario. Es imposible construir un verdadero monopolo magnético (fuente neta o sumidero de líneas B de fuerza) de esta manera. Los autores parten de imanes puntuales convencionales (dipolos) y bobinas (sin fuentes puntuales, n-polos de orden superior). Como sabes, el dipolo cancela la contribución monopolar, el tetrapolar cancela la contribución bipolar y así sucesivamente. Puede recordar la expansión multipolar convencional tal como aparece en todos los libros.
¿Son separables los monopolos de Dirac observados recientemente?
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