Tavallisessa kaksinapaisessa magneetissa voimaviivat kaareutuvat navasta toiseen. Yksinapaisessa ne suuntautuvat vain ulospäin. Kuva: Wikimedia Commons
Tavallisessa kaksinapaisessa magneetissa voimaviivat kaareutuvat navasta toiseen. Yksinapaisessa ne suuntautuvat vain ulospäin. Kuva: Wikimedia Commons

Yksinapaisia magneetteja voi olla olemassa.

Fyysikko Mikko Möttönen sanoo havainneensa kumppaneineen ensimmäisen kerran maailmassa niin sanotun monopolin kvanttikentässä. Havainto on Möttösen mukaan kansainvälisesti erittäin merkittävä saavutus kvanttifysiikassa.

Löydös kuulostaa tieteiskirjallisuudelta, mutta on tuttu esimerkiksi varhaista maailmankaikkeutta kuvaavista malleista. Monopoli on yksinkertaisesti sanottuna hiukkanen, jonka magneettiset suuntaviivat osoittavat pelkästään ulospäin hiukkasesta.

Jos ihan tarkkoja ollaan, Möttönen ja työryhmä eivät havainneet monopolihiukkasta vaan eräänlaisen näennäishiukkasen. He kuitenkin osoittivat vihdoin monopolin rakenteen voivan esiintyä luonnossa, ja se on hyvin merkittävä fysiikan perustutkimukselle.

Aalto-yliopistossa työskentelevä Möttösen ryhmä teki tutkimuksen yhteistyössä yhdysvaltalaisen Amherst Collegen kanssa. Tulos julkaistiin Science-lehdessä. Aalto ja Amherst julkaisivat jo vuosi sitten Naturessa merkittävän tutkimuksen monopoleista.

Uusi tutkimus vahvistaa esimerkiksi sen, että tutkijoiden vuosikymmeniä etsimiä magneettisia monopoleja voi olla olemassa.

Magneettinen monopoli on pistemäinen hiukkanen, jolla on magneettinen varaus. Vertailun vuoksi esimerkiksi atomissa olevan elektroni on pistemäinen hiukkanen, jolla on negatiivinen sähköinen varaus.

Magneettisen monopolin erikoisuus on se, että se on magneettikentän pistemäinen lähde. Meidän tuntemissamme magneeteissa on kaksi napaa, mutta magneettisessa monopolissa on vain yksi napa. Tutuissa magneeteissa voimaviivat kaareutuvat navasta toiseen, monopolin suuntaviivat osoittavat ulospäin.

Magneettisia monopoleja on kahta tyyppiä. Jos monopoli on magneettinen etelänapa, se hakeutuu tavallisen magneetin pohjoisnapaan, ja päinvastoin.

Oikean magneettisen monopolin löytämiseen on vielä Möttösen mukaan matkaa. Sitä tutki brittiläinen nobelisti Paul Dirac jo vuonna 1931. Sen jälkeen magneettisia monopoleja on etsitty napa-alueilta löytyvistä kivistä, kosmisista säteistä ja jopa Kuusta.

Vaikka magneettinen monopoli on hiukkanen, nykyiset hiukkaskiihdyttimet eivät pysty sitä todennäköisesti löytämään. Kiihdyttimien teho ei riitä. Magneettinen monopoli on luultavasti niin massiivinen, että sellaista ei voi synnyttää edes maailman suurin hiukkaskiihdytin, Cernin LHC.

Eräiden teorioiden mukaan yhden ainoa magneettisen monopolin massa on niin suuri, että jos sen energialla voitaisiin ladata sähköauton akkua, auto kulkisi yhdellä latauksella kilometrejä.

Uudessa tutkimuksessa tutkijat muokkasivat rubidiumkaasua lähes absoluuttisessa nollapisteessä eli yli 273 pakkasasteessa. He tekivät rubidiumatomeista kasan, joka käyttäytyi kuin yksi atomi. Tällaista yhdessä tilassa olevaa atomikasaa sanotaan Bosen-Einsteinin kondensaatiksi.

Möttönen ja tutkijat muuttivat kondensaatin magneetittomaan tilaan säätämällä kondensaatin spinin nollaksi. Spin on hiukkasen eräänlainen sisäinen pyörimisliike, jolla voi olla suunta. Kun hiukkasen spin on nolla, sen magneettisuus häviää.

Monopolirakenne syntyi magneetittomassa tilassa olevan kondensaatin sisään. Sen voi ajatella vaikka hiukkaskasan keskellä olevaksi pisteeksi, jonka suuntaviivat osoittavat ulospäin. Voi sanoa niinkin, että monopolin kohdalla kondensaatissa on tyhjää eli hiukkastiheys katoaa, Möttönen kuvailee.

Taiteilijan näkemys kvanttimekaanisesta monopolista. Kuva: Heikka Valja.