Physiker aus Finnland und den Vereinigten Staaten haben ein ungewöhnliches Quantenobjekt geschaffen und fotografiert, eine Art magnetischer Wirbel, der in Aussehen und Eigenschaften einem gewöhnlichen Kugelblitz ähnelt, wie in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
„Es ist äußerst überraschend, dass wir mit nur zwei entgegengesetzt gerichteten elektrischen Stromflüssen einen synthetischen elektromagnetischen Knoten, den Quantenkugelblitz, erzeugen konnten. All dies deutet darauf hin, dass natürliche Kugelblitze dieser Art auch durch konventionelle Blitzeinschläge auftreten können “, sagt Mikko Möttönen von der Aalto-Universität in Helsinki (Finnland).
Kugelblitze sind Kugeln aus weißglühendem Plasma, die mit Elektrizität aufgeladen sind. Sie treten bei Gewittern regelmäßig in der Atmosphäre auf und leben viel länger als gewöhnliche Blitze. Wie genau sie entstehen und welche Prozesse ihre Bewegung steuern, wissen Wissenschaftler noch nicht und streiten sich seit fast anderthalb Jahrhunderten über ihre Natur.
Möttenen und seine Kollegen schlagen vor, dass Kugelblitze nicht nur elektrisch, sondern auch quantenhaft sind, was ein vollständiges Analogon zu diesem "Geheimnis der Natur" darstellt und mit den sogenannten Skyrmionen experimentiert, speziellen Objekten der Quantenwelt.
Skyrmionen sind spezielle hypothetische Materieteilchen mit ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften, die sie wie eine Art "Igel" oder mikroskopischen Wirbel aussehen lassen. Die Nadelspitzen eines solchen „Igels“oder der Rand eines Hurrikans sind positiv geladen, und der Körper eines „Tieres“oder das Epizentrum eines Hurrikans ist negativ geladen.
Solche Quanten- "Igel" haben laut Physikern eine extrem hohe Stabilität, die es ihnen ermöglicht, als dauerhafte und wirtschaftliche Speicherzellen für die Spin- und Quantencomputer der Zukunft sowie für konventionelle Computer unserer Zeit verwendet zu werden.
Wissenschaftler haben noch keine "echten" Skyrmionen entdeckt oder geschaffen, und ihre nächsten Analoga sind spezielle zweidimensionale Strukturen in dünnen Filmen aus magnetischen Materialien oder speziellen Substanzen wie Mangansilizid. Solche Wirbel entstehen in ihnen unter besonderen Bedingungen, beispielsweise bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.
Diagramm eines dreidimensionalen Skyrmions, Quantenquasiteilchen / Lee et al. / Wissenschaftliche Fortschritte 2018.
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Finnische und amerikanische Physiker haben mit einer anderen Quantensubstanz - dem sogenannten Bose-Einstein-Kondensat - eine neue Version dieser Teilchen entwickelt, die eher dreidimensional als zweidimensional ist.
Es ist eine ungewöhnliche Form von Materie in ihren Eigenschaften, ähnlich wie Gas und Flüssigkeit, die sich wie ein riesiges Atom verhält und typische "atomare" Eigenschaften aufweist. Typischerweise erhalten Wissenschaftler es, indem sie eine Wolke aus Rubidium und anderen Alkalimetallatomen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlen.
Wie Möttenen und seine Kollegen herausgefunden haben, kann dieses künstliche Atom in ein dreidimensionales Analogon eines Skyrmions verwandelt werden, indem es in ein starkes Magnetfeld gebracht und die Position des Spins jedes realen Atoms in ihm auf besondere Weise geändert wird. Wenn dieses Feld "ausgeschaltet" wird, erscheint im Bose-Einstein-Kondensat eine spezielle Quantenstruktur, die die gleiche Konfiguration von elektromagnetischen Feldern aufweist, die zu einem Knoten geflochten sind wie Kugelblitze.
Seine wichtigste ungewöhnliche Eigenschaft ist, wie der Physiker feststellt, dass es für ein Quantenobjekt, das mehrere hundert Mikrosekunden lang ist, ungewöhnlich lange in einer solchen Form existiert. Dies legt laut Möttenen nahe, dass dreidimensionale Skyrmionen der "Kern" von Kugelblitzen sein können, die im Vergleich zu gewöhnlichen Blitzentladungen auch ungewöhnlich lange leben.