Kulelyn oppfører seg som når magnetlinjer tvinner seg i en knute. For første gang har forskere framstilt en slik knute i tre dimensjoner i en ultrakald gass. (Bilde: Fra artikkel i Science Advances av W. Lee, A.H. Gheorghe, K. Tiurev, T. Ollikainen, M. Möttönen)
Kulelyn oppfører seg som når magnetlinjer tvinner seg i en knute. For første gang har forskere framstilt en slik knute i tre dimensjoner i en ultrakald gass. (Bilde: Fra artikkel i Science Advances av W. Lee, A.H. Gheorghe, K. Tiurev, T. Ollikainen, M. Möttönen)

Ny forklaring på kulelyn

Ingen vet hva kulelyn er. Nå har forskere kanskje en forklaring – basert på en vridd magnetkule.

Published

Hva er kulelyn? Ingen vet sikkert. Hypotesene er mange, fra ørsmå svarte hull – via brennende silisiumdamp – til hallusinasjoner når lyn lager magnetfelt inne i hjernen.

Nå har finske og amerikanske forskere for første gang gjenskapt noe som kan være en ny modell for kulelyn.

– De har gjort et imponerende arbeid, kommenterer Asle Sudbø, professor ved Institutt for fysikk på NTNU. Han har lest studien og er ikke involvert i forskningen.

Forskerne har laget en slags knute av magnetfelt. Knuten er mye mindre enn et kulelyn – under en millimeter stor. Likevel – knuten har forklaringskraft for kulelyn, mener forskerne.

Det spesielle med kulelyn er jo at de holder seg over tid, at de ikke går i stykker.

Den lille magnetknuten er likedan. Magnetfeltene er vridd på en sånn måte at de holder på formen og ikke brytes ned.

Lyn lager magnetfelt

Hvis magnetknuten skal være modell for et kulelyn, må den også kunne lages i tordenvær.

Vanlige lyn er gnister, kraftige elektriske strømmer gjennom lufta. De lager magnetfelt. Forskerne brukte også magnetfelt for å lage magnetknutene.

I helt spesielle tilfelle kan lyn lage magnetfelt som i laboratoriet til forskerne. Kulelyn er da også spesielle – og sjeldne.

Kulelyn er sett gjennom mange århundrer, men sjelden fotografert. Først i 2014 ble det filmet. Denne illustrasjonen er fra 1901. (Illustrasjon: ukj.)
Kulelyn er sett gjennom mange århundrer, men sjelden fotografert. Først i 2014 ble det filmet. Denne illustrasjonen er fra 1901. (Illustrasjon: ukj.)

Premiere i 3D

Kulelyn er – som navnet sier – noe som finnes i tre dimensjoner. De er ikke flate. De har både høyde, bredde og dybde.

Magnetknuten som forskerne har framstilt, er også tredimensjonal – den første av sitt slag. Tidligere er knutene bare laget i to dimensjoner – i en metallflate.

Skyrmioner

Slike knuter kalles skyrmioner. De er oppkalt etter den britiske fysikeren Tony Skyrme. Han laget teorien om knutene seint på 1950-tallet.

For Skyrme gjaldt teorien mye mer enn kulelyn og magnetisme. Han laget faktisk en alternativ forklaring på hvordan atomenes byggesteiner – protoner og nøytroner – dannes.

Skyrme så dem som en slags knuter som oppstod i et felt av kjernekrefter. Kjernekreftene er mye sterkere enn magnetiske krefter.

Seinere overtok andre forklaringer på protoner og nøytroner – for eksempel at de er bygget opp av enda mindre partikler, kvarker.

Videoen viser et 3D-skyrmion som oppstår, sett fra siden. Magnetfeltlinjene oppstår fordi atomene spinner. De tre lysflekkene er av det samme skyrmionet, men viser forskjellige spinnakser – opp, vannrett og ned. (Video: Tuomas Ollikainen)

Atomer tar bølgen

Likevel – forskere har igjen og igjen oppsøkt de vakre matematiske teoriene til Skyrme og gitt dem nytt liv og innhold – for eksempel som knuter av magnetlinjer i veldig kalde gasser.

Asle Sudbø (Foto: NTNU)
Asle Sudbø (Foto: NTNU)

Forskerne måtte nemlig bruke fortynnet gass nær det absolutte nullpunktet – minus 273 grader – for å lage magnetknutene. Hva skjer da?

Atomer kan sees som både partikler – omtrent som små biljardkuler – og som bølger. 

– Ettersom temperaturen senkes ned mot det absolutte nullpunktet, trer bølgekarakteren til partiklene mer og mer tydelig frem, forklarer Sudbø. 

– Til slutt smelter disse bølgene sammen til en eneste stor bølgetilstand som brer seg ut over hele systemet, fortsetter han.  

Denne ene, store bølgen kalles et Bose-Einstein-kondensat. Hvorfor trengte forskerne å bruke dette?

Full kontroll

– I Bose-Einstein-kondensater kan du få veldig god kontroll over de magnetiske strukturene med magnetfelt utenfra, svarer Sudbø.

Forskerne startet med å sende et helt jevnt magnetfelt inn i kondensatet. Så byttet de det ut med to motsatte magnetfelt som opphevet hverandre midt i kondensatet.

Da oppstod den spesielle knuten av magnetlinjer. Forskerne klarte å gjenta eksperimentet mange hundre ganger, så dette var ikke et tilfeldig lykketreff.

Figuren viser hvordan forskerne utsatte Bose-Einstein-kondensatet for magnetfelt utenfra, først et ensartet magnetfelt (1) og så to motsatt rettede magnetfelt som opphevet hverandre i midten (2). Den siste figuren viser eksempler på magnetiske feltlinjer som oppstår i skyrmionet. (figur: Fra artikkelen i Science Advances)
Figuren viser hvordan forskerne utsatte Bose-Einstein-kondensatet for magnetfelt utenfra, først et ensartet magnetfelt (1) og så to motsatt rettede magnetfelt som opphevet hverandre i midten (2). Den siste figuren viser eksempler på magnetiske feltlinjer som oppstår i skyrmionet. (figur: Fra artikkelen i Science Advances)

Kan ikke knytes opp

Hvordan kan vridde magnetlinjer holde seg over tid? Hvorfor vrir de seg ikke tilbake, som når en strikk glipper?

Svaret er at magnetknuten har en form som ikke kan rettes ut med mindre du ødelegger den – som en sammenfiltret knute. Å ødelegge den vil kreve for mye energi.

Kanskje for fusjonsenergi

Vil forskerne klare å lage et virkelig kulelyn på samme måte som for skyrmionet?

Da må mer forskning til, ifølge Mikko Möttönen fra Aalto universitet i Finland, en av forskerne bak studien som publiseres i tidsskriftet Science Advances.

Han tror også at metoden deres kan utvikles videre for å holde de varme gassene på plass i en fusjonsreaktor – kjernekraftverket som lager energi på samme måte som inne i Sola. Sudbø har mindre tro på dette.

– Jeg ser ikke relevansen for fusjonskraft, men hvem vet? Kanskje er det noe der. Uansett – det er imponerende hva man nå kan gjøre med Bose-Einstein-kondensater, sier han.

Referanse og lenker:

Wonjae Lee m.fl: Synthetic electromagnetic knot in a three-dimensional skyrmion, Science Advances 4, eaao3820 (2018).

States of Matter: Bose-Einstein Condensate. Artikkel I LiveScience som gir en forståelig forklaring av Bose-Einstein-kondensat.

Skyrmion makeover. Leder i tidsskriftet Nature fra 2010. Oppsummerer hvordan skyrmioner har fascinert forskere de siste årtiene.

Viewpoint: An Inside View of Magnetic Skyrmions, artikkel I APS Physics. Forklarer skyrmioner og viser hvordan todimensjonale skyrmioner i flate materialer også kan brukes til dataminne.