拓撲缺陷
理論上，量子系統（比如極冷原子的集合）中應該包含被稱為拓撲缺陷的奇異對象。它們有些像是長長的弦，有些則更奇怪，是一些零維點。在這些零維點的中心，如磁場等性質無法用數學描述。
拓撲缺陷很難產生，也很難被觀測。不過，在一項新發表於《自然·通訊》雜誌上的研究中，一個國際物理學家團隊找到了製造一種名為「愛麗絲環」的拓撲缺陷的方式，這種拓撲缺陷可以迅速轉變為另一種拓撲缺陷。
創造愛麗絲環
當沒有統一的構型可以連接不同的域時，拓撲缺陷就出現了。這種缺陷能夠以曲面（壁）、線（弦和渦旋）和奇點（單極子）的形式呈現，其中，弦和單極子攜帶著守恆的拓撲荷，這些拓撲荷可以表現為磁荷、電荷，甚至夸克色荷。
愛麗絲絃是一種不尋常的拓撲缺陷，在一些大統一理論中，它可以將一個單極子轉變為反單極子。基於這種神秘的「映象」性質，物理學家們根據著名小說《愛麗絲夢遊仙境》中的橋段，將其命名為愛麗絲絃。
愛麗絲絃與單極子緊密相關。單極子可以在能量不穩定的情況下，變形成閉環的愛麗絲絃，即愛麗絲環，任何通過愛麗絲環中心的其他單極子，都會被翻轉成相反的磁荷。
為了創造拓撲缺陷，在新的研究中，物理學家在接近絕對零度的溫度下，將25萬個銣原子放入一個沒有空氣的腔室中。接著，他們用鐳射照射這些在非磁性狀態下製備的銣原子氣體，進而減緩它們的自然運動。在這樣的情況下，所有的銣原子都表現為一個大的量子物體，由於這些原子本身具有一種名為「自旋」的量子特性，因此這個大的量子物體對磁場很敏感。
在這樣的極端條件下，他們觀測到了單極子。總的來說，單極子的「壽命」非常短暫，在產生幾毫秒後就會衰變。愛麗絲環正是在這種不穩定性中形成的。每個單極子都擴展成了具有奇怪性質的愛麗絲環。
雖然單極子的壽命很短，但研究人員創造的愛麗絲環穩定存在了長達84毫秒，這比單極子的壽命長20多倍。這讓研究人員樂觀地期待，未來的實驗或將揭示愛麗絲環的更多奇特性質。
從遠處看，這些愛麗絲環看起來就像一個單極子。但當從環的中心往外看，世界呈現出的形狀則完全不同，從這個角度看，一切似乎都是「映象」的，就好像這個環是通往反物質世界的通道。
正如前面所說的，理論上，當一個單極子穿過愛麗絲環的中心時，就會變成一個反單極子，其磁荷會發生翻轉。相應地，愛麗絲環的磁荷也會改變，不過研究人員表示，這一現象還沒有通過這次實驗觀測到。
在未來創造「映象」
愛麗絲環的出現證實了幾十年前關於單極子衰變的理論，這也為理解粒子物理學中的這些結構是如何在宇宙中發揮作用的打開了新的大門。研究人員表示，這項基礎研究為探索以前沒有實驗證據的宇宙學或高能物理學理論，提供了前所未有的機會。
接下來，研究人員表示他們不僅通過使用超冷原子製造出單極子和愛麗絲環，而且還要讓其中一個穿過另一個，直接測試它的「映象」效應。
#創作團隊：
撰文：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40710-2
https://www.aalto.fi/en/news/quantum-discovery-offers-glimpse-into-other-worldly-realm
#圖片來源：
封面圖&首圖：Heikka Valja/Aalto University