Magnetiske monopoler optræder i hæmatit – Physics World

Magnetiske monopoler optræder i hæmatit – Physics World

Tidsstempel: 23. februar 2024 kl. 4:30

Kunstnerens illustration af magnetiske monopoler i hæmatit, der viser lyserøde feltlinjer, der kommer frem fra et gitter af partikler
En illustration af magnetiske monopoler i hæmatit. (Med høflighed: Ella Maru Studio)

Fysikere ved universiteterne i Oxford og Cambridge i Storbritannien har set signaturer af magnetiske monopoler og andre usædvanlige magnetiske strukturer i hæmatit, et naturligt forekommende antiferromagnetisk jernoxidmateriale. Strukturerne, som forskerne opdagede ved hjælp af kvantesansmålinger, kunne danne grundlag for nye enheder som racerbanehukommelser og superhurtig, energieffektiv neuromorfisk databehandling.

En almindelig stangmagnet består af en nord- og en sydpol. Skær den i to, og hver af de resulterende halvdele - uanset hvor små - vil også have to stænger. Faktisk er magnetismens bipolære natur så fundamental, at den dukker op i Maxwells ligninger, hvilket antyder, at selvom der findes isolerede positive og negative elektriske ladninger, kan isolerede magnetiske ladninger ikke.

Under kvanterevolutionen i 1920'erne og 1930'erne begyndte nogle fysikere at spekulere i, at dette princip om klassisk elektromagnetisme kunne trænge til en revision. I 1931 blev Paul Dirac den første til at forudsige, at magnetiske monopoler - elementarpartikler, der fungerer som isolerede magnetiske nord- og sydpoler og er de magnetiske analoger af elektriske ladninger - kunne eksistere. Selvom magnetiske monopoler af den type Dirac, man forestillede sig, aldrig er blevet set som frie partikler, har eksotiske materialer kendt som spin ices siden vist sig at være vært for kollektive tilstande, der efterligner dem.

Hvirvlende mønstre af magnetiske ladninger

Et team af forskere ledet af Mete Atatüre, lederen af Cambridges Cavendish Laboratory, har nu observeret en lignende "emergent" type magnetisk monopol i hæmatit. Disse monopoler er kollektive tilstande af mange hvirvlende spins (iboende vinkelmoment af elektroner), der tilsammen fungerer som en lokaliseret stabil partikel med et magnetfelt, der udgår fra den. "Disse 'antiferromagnetiske hvirvler' (som kaldes meroner, antimeroner og bimeroner) i hæmatit er forbundet med 'emergent magnetiske monopoler'," forklarer holdets medleder Paolo Radaelli, fysiker i Oxford. "Disse hvirvler giver deres placering væk, og vi er i stand til at studere deres adfærd med diamantkvantemagnetometri og andre scanningsteknikker."

I diamantkvantemagnetometri bruges et enkelt spin i en lille nål lavet af diamant til præcist og ikke-invasivt at måle det magnetiske felt på overfladen af ​​et materiale. "Kvantemagnetometri kan registrere meget små magnetiske felter," forklarer Atatüre. "Derfor er den ideel til at kortlægge den magnetiske rækkefølge i antiferromagneter, en speciel klasse af magnetiske materialer, hvor den lokale magnetisering næsten ophæver."

En ny tilgang betaler sig

Forskerne, der rapporterer deres arbejde i Nature Materials, opdagede flere usædvanlige magnetiske strukturer i hæmatit ved hjælp af denne teknik, herunder todimensionelle monopoler, dipoler og quadrupoler. Det er første gang, en todimensionel monopol er blevet observeret i en naturligt forekommende magnet, siger de. Radaelli tilføjer, at holdet ikke forventede at se meget, fordi antiferromagnetiske spin-teksturer blev betragtet som undvigende og kun observeres ved hjælp af komplekse røntgenteknikker.

"Vi sendte vores prøver til Mete og kolleger i Cambridge uden at vide præcis, hvad vi kunne forvente," siger han. "Jeg kan huske, at jeg diskuterede dette og tænkte, at vi ikke ville se noget. Da billederne fra Cambridge begyndte at strømme ind, diskuterede vi forskellige fortolkninger, indtil kvantitative simuleringer afslørede signalets mikroskopiske oprindelse."

Det var først på dette tidspunkt, at holdet forstod den monopolære karakter af den observerede magnetiske struktur og skabte forbindelsen med eksempler på monopoler i den videnskabelige litteratur, fortæller han. Fysik verden.

Aflæsning og klassificering

Med hensyn til ansøgninger, teammedlem Hariom Jani, en postdoc ved Oxford og den første forfatter til undersøgelsen, foreslår, at de nyligt observerede monopoler kunne tjene som indikatorer for andre usædvanlige effekter. "Forbindelsen mellem de magnetiske ladninger, som er kilderne/drænene til små felter, og den snoede følelse af de antiferromagnetiske hvirvler er ret nyttig, fordi den åbner op for en nem vej til at udlæse og klassificere eksotiske antiferromagnetiske tilstande," siger han.

Hans Cambridge-kollega, ph.d.-studerende Anthony Tan, enig. "Vores arbejde fremhæver diamantkvantemagnetometriens potentiale til at afdække og undersøge skjulte magnetiske fænomener i kvantematerialer, som kan hjælpe med at være banebrydende for nye studieområder på dette område," siger han.

Holdets ultimative mål, siger Radaelli, er at konstruere enheder fra den virkelige verden til næste generation af computere, der gør brug af disse antiferromagnetiske hvirvler. "Vi arbejder parallelt på to separate koncepter: et baseret på at emulere biologiske neuroner; og den anden på såkaldte racerbaner, altså nanoskopiske 'motorveje' for hvirvlerne,” siger han. Konstruktion af sådanne enheder vil kræve elektriske kontakter, ledninger og transducere, der skal fremstilles på nanoskala, tilføjer han: "Vi forventer, at multi-probe scanningsteknikker, såsom diamantkvantemagnetometri, vil gøre os i stand til at fremskynde dette arbejde."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden