Tutkijat löysivät uuden kvanttihiukkasen – pallosalamaa muistuttavan skyrmionin

Solmumainen skyrmioni voi auttaa tutkijoita pitämään plasmapalloa koossa tehokkaasti, mistä saattaa olla hyötyä tulevaisuuden fuusioreaktoreissa.

Kuva 1. Taiteellinen näkemys kvanttimekaanisesta pallosalamasta. Kuva: Heikka Valja.

Aalto-yliopiston ja yhdysvaltalaisen Amherst Collegen tutkijat ovat ensi kertaa onnistuneet luomaan kvanttikaasussa kolmiulotteisen skyrmionin. Se ennustettiin teoreettisesti yli 40 vuotta sitten ja nyt se on havaittu myös kokeellisesti.

– Olemme luoneet keinotekoisen sähkömagneettisen solmun, kvanttipallosalaman, vain kahden vastakkaiseen suuntaan pyörivän sähkövirran avulla. Pidän siksi mahdollisena, että luonnollinen pallosalama voisi syntyä tavanomaisessa salamaniskussa, kertoo tutkimuksen teoreettisesta osuudesta vastannut tutkija Mikko Möttönen.

Hän kertoo myös nähneensä itse talon sisään syöksyneen pallosalaman. Vastaavia havaintoja on tehty läpi historian, mutta fyysisiä todisteita on vähän.

Magneettisten momenttien eli spinien muodostamat solmut luodaan erittäin harvassa ja kylmässä kvanttikaasussa. Spinien muodostamilla solmuilla on monia pallosalamaa muistuttavia ominaisuuksia. Joidenkin tutkijoiden mukaan pallosalama koostuu varautuneiden hiukkasvirtojen kietoutuneista vyyhdeistä.

Kvanttikaasun atomien liike vastaa varautunutta hiukkasta pallosalaman solmumaisessa magneettikentässä. Solmujen kestävyys voi olla syy siihen, miksi pallosalama tai plasmapallo elää yllättävän pitkään verrattuna salamaniskuun. Nyt saavutetut tutkimustulokset voivat innoittaa löytämään uusia tapoja pitää plasmapallo koossa myös fuusioreaktorin sisällä.

– Pitää tutkia tarkemmin, voiko tällaisella menetelmällä saada aikaan myös oikeita pallosalamia. Jatkotutkimus voisi johtaa esimerkiksi nykyistä vakaampaan fuusioreaktoriin, kun plasmaa voitaisiin pitää koossa nykyisiä keinoja tehokkaammin, tarkentaa Möttönen.

Spinit pyörivät skyrmionissa ja saavat aikaan kestävän solmun

– Kvanttikaasu jäähdytetään hyvin kylmäksi Bosen–Einsteinin kondensaatiksi, jossa kaikki atomit päätyvät matalimman energian tilaan. Silloin se käyttäytyy kuin jättimäinen atomi tavanomaisen kaasun sijaan, kuvailee tutkimuksen kokeellisesta osuudesta vastannut professori David Hall.

Skyrmioni luodaan alkutilasta, jossa jokaisen atomin magneettinen momentti eli spin osoittaa ylöspäin, kuten myös luonnollinen magneettikenttä. Sitten magneettikenttää muutetaan niin, että sen nollakohta asettuu kaasusta muodostuvan kondensaatin keskelle. Spinit lähtevät pyörimään kussakin paikassa olevan magneettikentän suunnan ympäri. Koska magneettinen kenttä osoittaa kaikkiin mahdollisiin suuntiin nollakohdan lähellä, spinit kiertyvät solmuun.

Skyrmionin solmumaisessa rakenteessa kukin alue, jossa spin osoittaa tiettyyn samaan suuntaan, muodostaa rinkulan, ja eri rinkulat menevät toistensa läpi. Siksi solmua voidaan löysätä tai sitä voidaan siirtää, mutta ei rikkoa.

– Skyrmionin ja kvanttisolmun erottaa siitä, että skyrmionissa spinit eivät vain kierry solmulle, vaan myös kondensaatin kvanttivaihe pyörii ympäri, kertoo Hall.

Jos atomien spinin suunta muuttuu kondensaatin sisällä, kondensaatti käyttäytyy kuin se olisi varattu hiukkanen luonnollisessa magneettikentässä. Solmussa oleva spinien rakenne saa aikaan tällaisen keinotekoisen magneettikentän, joka on täsmälleen erään pallosalaman mallin mukainen magneettikenttä.

Kuva 2. Aalto-yliopistossa työskentelevät työryhmän jäsenet vasemmalta oikealle: Konstantin Tiurev, Mikko Möttönen ja Tuomas Ollikainen. Kuva: Mikko Raskinen / Aalto-yliopisto.

– Teoreettiset ideat ja kokeiden tarkka mallinnus ja analyysi olivat erittäin tärkeitä skyrmionin luonnin onnistumiselle. Saamme kokeissa kuvia Bosen-Einsteinin kondensaatista, mutta skyrmionia on hankala tunnistaa ilman tietoa mallinnusdatasta, johon voimme verrata. Itseasiassa hyvin usein olemme ihmetelleet outoa kokeellista tulosta, mutta tietokonemallinnus on kertonut mistä on kyse. Käytimme mallinnukseen pääasiassa CSC:n supertietokonetta ja myös Aalto-yliopiston Science-IT-hankkeen koneita, työn teoreettisen ja laskennallisen osan johtajana toiminut Möttönen kertoo.

– Kun skyrmionista otetaan kuva, kondensaatti päästetään laajenemaan. Joskus laajeneminen ei juurikaan vaikuta siihen, miltä kondensaatista otettu kuva näyttää, mutta toisinaan sillä on suuri merkitys. Vaikutuksen suuruus riippuu siitä, minkälaisia hiukkasvirtoja kondensaatissa on. Skyrmionissa virtaus on hyvin monimutkaista ja muodostaa solmumaisen kentän. Tämän vuoksi laajetessaan skyrmioni muuttaa muotoaan. Tietokonemallinnuksella voimme kuitenkin ikään kuin mennä ajassa taaksepäin ja katsoa, miltä tietyllä tavalla laajentunut kondensaatti näytti ennen laajentumista. Ilman tällaista mahdollisuutta olisi vaikea väittää, että skyrmioni on todellakin tehty. Nyt mallinnuksen ansiosta olemme täysin varmoja, että olemme saaneet aikaan kolmedimensioisen skyrmionin, Möttönen jatkaa.

Lisätietoja

W. Lee, A.H. Gheorghe, K. Tiurev, T. Ollikainen, M. Möttönen and D.S. Hall: Synthetic Electromagnetic Knot in a Three-Dimensional Skyrmion, Science Advances 4, eaao3820 (2018).

Pysyvä tunniste http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aao3820

Mikko Möttönen, dos., TkT, Aalto-yliopisto
email: mikko.mottonen at aalto.fi

David S. Hall, professor, Amherst College, USA
Email: dshall at amherst.edu