拓扑缺陷

理论上，量子系统（比如极冷原子的集合）中应该包含被称为拓扑缺陷的奇异对象。它们有些像是长长的弦，有些则更奇怪，是一些零维点。在这些零维点的中心，如磁场等性质无法用数学描述。

拓扑缺陷很难产生，也很难被观测。不过，在一项新发表于《自然·通讯》杂志上的研究中，一个国际物理学家团队找到了制造一种名为“爱丽丝环”的拓扑缺陷的方式，这种拓扑缺陷可以迅速转变为另一种拓扑缺陷。

创造爱丽丝环

当没有统一的构型可以连接不同的域时，拓扑缺陷就出现了。这种缺陷能够以曲面（壁）、线（弦和涡旋）和奇点（单极子）的形式呈现，其中，弦和单极子携带着守恒的拓扑荷，这些拓扑荷可以表现为磁荷、电荷，甚至夸克色荷。

爱丽丝弦是一种不寻常的拓扑缺陷，在一些大统一理论中，它可以将一个单极子转变为反单极子。基于这种神秘的“镜像”性质，物理学家们根据著名小说《爱丽丝梦游仙境》中的桥段，将其命名为爱丽丝弦。

爱丽丝弦与单极子紧密相关。单极子可以在能量不稳定的情况下，变形成闭环的爱丽丝弦，即爱丽丝环，任何通过爱丽丝环中心的其他单极子，都会被翻转成相反的磁荷。

为了创造拓扑缺陷，在新的研究中，物理学家在接近绝对零度的温度下，将25万个铷原子放入一个没有空气的腔室中。接着，他们用激光照射这些在非磁性状态下制备的铷原子气体，进而减缓它们的自然运动。在这样的情况下，所有的铷原子都表现为一个大的量子物体，由于这些原子本身具有一种名为“自旋”的量子特性，因此这个大的量子物体对磁场很敏感。

在这样的极端条件下，他们观测到了单极子。总的来说，单极子的“寿命”非常短暂，在产生几毫秒后就会衰变。爱丽丝环正是在这种不稳定性中形成的。每个单极子都扩展成了具有奇怪性质的爱丽丝环。

虽然单极子的寿命很短，但研究人员创造的爱丽丝环稳定存在了长达84毫秒，这比单极子的寿命长20多倍。这让研究人员乐观地期待，未来的实验或将揭示爱丽丝环的更多奇特性质。

从远处看，这些爱丽丝环看起来就像一个单极子。但当从环的中心往外看，世界呈现出的形状则完全不同，从这个角度看，一切似乎都是“镜像”的，就好像这个环是通往反物质世界的通道。

正如前面所说的，理论上，当一个单极子穿过爱丽丝环的中心时，就会变成一个反单极子，其磁荷会发生翻转。相应地，爱丽丝环的磁荷也会改变，不过研究人员表示，这一现象还没有通过这次实验观测到。

在未来创造“镜像”

爱丽丝环的出现证实了几十年前关于单极子衰变的理论，这也为理解粒子物理学中的这些结构是如何在宇宙中发挥作用的打开了新的大门。研究人员表示，这项基础研究为探索以前没有实验证据的宇宙学或高能物理学理论，提供了前所未有的机会。

接下来，研究人员表示他们不仅通过使用超冷原子制造出单极子和爱丽丝环，而且还要让其中一个穿过另一个，直接测试它的“镜像”效应。

参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-40710-2

https://www.aalto.fi/en/news/quantum-discovery-offers-glimpse-into-other-worldly-realm

封面图&首图：Heikka Valja/Aalto University