Физики создали и сфотографировали квантовую "шаровую молнию"
Физики из Финляндии и США создали и сфотографировали необычный квантовый объект, своеобразный магнитный вихрь, который похож по своему облику и свойствам на обычную шаровую молнию, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Advances.
"Крайне удивительно, что нам удалось создать синтетический электромагнитный узел, квантовую шаровую молнию, используя всего два противоположно направленных потока электрического тока. Все это говорит о том, что и природные шаровые молнии такого типа могут возникать в результате обычных ударов грозовых разрядов", — рассказывает Микко Мёттёнен (Mikko Möttönen) из университета Аалто в Хельсинки (Финляндия).
Шаровые молнии представляют собой шары из раскаленной плазмы, заряженные электричеством. Они периодически появляются в атмосфере во время гроз и живут при этом гораздо дольше, чем обычные молнии. Как именно они возникают и какие процессы управляют их движением, ученые пока не знают и спорят об их природе уже почти полтора столетия.
Мёттёнен и его коллеги предполагают, что шаровые молнии носят не только электрическую, но и квантовую природу, создав полный аналог этой "загадки природы", экспериментируя с так называемыми скирмионами, особыми объектами квантового мира.
Скирмионы представляют собой особые гипотетические частицы материи, обладающие необычными магнитными свойствами, которые делают их похожими или на своеобразного "ежа" или микроскопический вихрь. Кончики игл у такого "ежа" или края урагана заряжены положительно, а тело "животного", или эпицентр урагана – отрицательно.
Такие квантовые "ежи", как считают физики, обладают чрезвычайно высокой стабильностью, что позволяет использовать их в качестве долговечных и экономичных ячеек памяти для спиновых и квантовых компьютеров будущего, а также обычных компьютеров современности.
"Настоящих" скирмионов ученые пока не открыли и не создали, и их ближайшими аналогами являются особые двумерные структуры внутри тонких пленок из магнитных материалов или особых веществ, вроде силицида марганца. Подобные вихри возникают в них сами по себе при особых условиях, к примеру, при температурах, близких к абсолютному нулю.
Финские и американские физики создали новую версию этих частиц, имеющую трехмерную, а не двумерную природу, используя другую квантовую субстанцию – так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна.
Он представляет собой необычную по своим свойствам форму материи, похожую на газ и жидкость, которая ведет себя как один гигантский атом и обладает типичными "атомными" свойствами. Как правило, ученые получают его, охлаждая облако из атомов рубидия и других щелочных металлов до температур, близких к абсолютному нулю.
Как выяснили Мёттёнен и его коллеги, этот искусственный атом можно превратить в трехмерный аналог скирмиона, если поместить его внутрь сильного магнитного поля и особым образом поменять положение спина каждого настоящего атома внутри него. Когда это поле "отключается", внутри конденсата Бозе-Эйнштейна возникает особая квантовая структура, обладающая той же конфигурацией электромагнитных полей, заплетенных в узел, что и шаровая молния.
Ее главным необычным свойством, как отмечает физик, является то, что она существует в подобном виде необычно долго для квантового объекта, несколько сотен микросекунд. Это, по мнению Мёттёнена, говорит о том, что трехмерные скирмионы могут быть "ядром" шаровых молний, которые также живут необычно долго по сравнению с обычными грозовыми разрядами.