バーミンガム大、光ビームでスキルミオンモデルを実現し60年越しの理論粒子を検証
バーミンガム大学の科学者たちが、スキルミオンと呼ばれる不可解な基礎粒子の実験的モデルを光ビーム内で作成することに成功しました。このブレイクスルーにより、物理学者たちは60年前にバーミンガム大学の数理物理学者トニー・スキルム教授によって最初に提唱されたスキルミオンの振る舞いを実証する実在のシステムを手に入れました。
スキルムのアイデアは、4次元空間における球の構造を用いて、3次元におけるスキルミオン粒子の不可分な性質を保証するものでした。3次元の粒子的スキルミオンは、宇宙の初期起源やエキゾチックな物質、冷原子の物理について教えてくれると理論化されています。しかし、50年以上にわたる研究にもかかわらず、3次元スキルミオンは実験でほとんど観測されていません。現在のスキルミオン研究の大半は、新技術への応用が期待される2次元アナログに焦点を当てています。
今回、バーミンガム大学、ランカスター大学、ミュンスター大学（ドイツ）、理化学研究所（日本）の研究者たちによる国際共同研究で、スキルミオンが3次元で測定可能であることが初めて実証されました。研究を主導したマーク・デニス教授は次のように述べています。「スキルミオンは数十年にわたり物理学者たちを魅了し、挑戦し続けてきました。2次元でのスキルミオン研究は順調に進んでいますが、私たちは3次元の世界に生きています。スキルミオンをありとあらゆる状態でモデル化し、測定可能なシステムが必要です。光ビームをこの目的で活用できることに気づきました。光の特性を精密に制御できるため、スキルミオンをモデル化するプラットフォームとして利用できるのです。このアプローチにより、これらの対象を真に理解し、その科学的潜在能力を実現し始めることができます。」
モデル作成のため、バーミンガム大学物理学・天文学部のダニカ・スギック博士とデニス教授は、光の標準的な記述である偏光（光波の進行方向）と位相（光波の振動位置）を、スキルムの元のビジョンの核心である4次元空間における球の観点で再定式化しました。これにより、スキルミオン場を設計し、ミュンスター大学のコルネリア・デンツ教授が主導した実験でレーザー光ビームに組み込むことが可能になりました。チームは最先端の測定技術を用いて、スキルミオンの精密な構造を決定しました。
「これらの対象は幾何学的観点から見ると実に複雑です」とスギック博士は語ります。「互いに噛み合ったリングの複雑なシステムに似ており、全体として粒子のような構造を形成しています。特に興味深いのはスキルミオンのトポロジカルな特性です。歪めたり、伸ばしたり、圧縮したりしても、ばらばらになることはありません。この頑健性こそ、科学者たちが最も利用したいと考えている特性の一つです。」
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