Τα μαγνητικά μονόπολα εμφανίζονται στον αιματίτη - Physics World

Οι φυσικοί στα πανεπιστήμια της Οξφόρδης και του Κέιμπριτζ στο Ηνωμένο Βασίλειο εντόπισαν υπογραφές μαγνητικών μονοπόλων και άλλων ασυνήθιστων μαγνητικών δομών στον αιματίτη, ένα φυσικό αντισιδηρομαγνητικό υλικό οξειδίου του σιδήρου. Οι δομές, τις οποίες ανακάλυψαν οι ερευνητές χρησιμοποιώντας μετρήσεις κβαντικής ανίχνευσης, θα μπορούσαν να αποτελέσουν τη βάση για νέες συσκευές, όπως μνήμες πίστας και εξαιρετικά γρήγορους, ενεργειακά αποδοτικούς νευρομορφικούς υπολογιστές.

Ένας συνηθισμένος μαγνήτης ράβδου αποτελείται από έναν βόρειο και έναν νότιο πόλο. Κόψτε το στα δύο και καθένα από τα μισά που θα προκύψουν – όσο μικρό κι αν είναι – θα έχει επίσης δύο πόλους. Πράγματι, η διπολική φύση του μαγνητισμού είναι τόσο θεμελιώδης που εμφανίζεται στις εξισώσεις του Maxwell, που υποδηλώνουν ότι παρόλο που υπάρχουν μεμονωμένα θετικά και αρνητικά ηλεκτρικά φορτία, τα μεμονωμένα μαγνητικά φορτία δεν μπορούν.

Κατά τη διάρκεια της κβαντικής επανάστασης των δεκαετιών του 1920 και του 1930, ορισμένοι φυσικοί άρχισαν να εικάζουν ότι αυτή η αρχή του κλασικού ηλεκτρομαγνητισμού μπορεί να χρειάζεται αναθεώρηση. Το 1931 ο Paul Dirac έγινε ο πρώτος που προέβλεψε ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν μαγνητικά μονόπολα -στοιχειώδη σωματίδια που λειτουργούν ως απομονωμένοι μαγνητικοί βόρειοι και νότιοι πόλοι και είναι τα μαγνητικά ανάλογα των ηλεκτρικών φορτίων. Αν και τα μαγνητικά μονόπολα του προβλεπόμενου τύπου Dirac δεν έχουν ποτέ θεωρηθεί ως ελεύθερα σωματίδια, τα εξωτικά υλικά γνωστά ως πάγοι spin έχουν βρεθεί από τότε ότι φιλοξενούν συλλογικές καταστάσεις που τα μιμούνται.

Στροβιλιζόμενα σχέδια μαγνητικών φορτίων

Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Μετέ Ατατούρε, ο αρχηγός Εργαστήριο Cavendish του Cambridge, έχει τώρα παρατηρήσει έναν παρόμοιο «αναδυόμενο» τύπο μαγνητικού μονοπόλου στον αιματίτη. Αυτά τα μονόπολα είναι συλλογικές καταστάσεις πολλών περιστροφικών περιστροφών (εγγενείς γωνιακές ροπές ηλεκτρονίων) που, μαζί, δρουν σαν ένα εντοπισμένο σταθερό σωματίδιο με ένα μαγνητικό πεδίο που προέρχεται από αυτό. «Αυτοί οι «αντισιδηρομαγνητικοί στρόβιλοι» (οι οποίοι ονομάζονται μερόνια, αντιμερόνια και διμερόνια) στον αιματίτη συνδέονται με «αναδυόμενα μαγνητικά μονόπολα»», εξηγεί ο συν-αρχηγός της ομάδας. Πάολο Ρανταέλι, φυσικός στην Οξφόρδη. «Αυτοί οι στρόβιλοι δίνουν τη θέση τους και είμαστε σε θέση να μελετήσουμε τη συμπεριφορά τους με κβαντική μαγνητομετρία διαμαντιών και άλλες τεχνικές σάρωσης».

Στην κβαντική μαγνητομετρία διαμαντιών, χρησιμοποιείται ένα μόνο γύρισμα σε μια μικροσκοπική βελόνα από διαμάντι για την ακριβή και μη επεμβατική μέτρηση του μαγνητικού πεδίου στην επιφάνεια ενός υλικού. «Η κβαντική μαγνητομετρία μπορεί να ανιχνεύσει πολύ μικρά μαγνητικά πεδία», εξηγεί ο Atatüre. «Επομένως, είναι ιδανικό για τη χαρτογράφηση της μαγνητικής τάξης στους αντισιδηρομαγνήτες, μια ειδική κατηγορία μαγνητικών υλικών στην οποία η τοπική μαγνήτιση σχεδόν ακυρώνεται».

Μια νέα προσέγγιση αποδίδει καρπούς

Οι ερευνητές, που αναφέρουν την εργασία τους στο Φύση Υλικά, εντόπισε αρκετές ασυνήθιστες μαγνητικές δομές στον αιματίτη χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, συμπεριλαμβανομένων δισδιάστατων μονοπόλων, διπόλων και τετραπόλων. Αυτή είναι η πρώτη φορά που ένα δισδιάστατο μονόπολο έχει παρατηρηθεί σε έναν φυσικό μαγνήτη, λένε. Ο Radaelli προσθέτει ότι η ομάδα δεν περίμενε να δει πολλά επειδή οι αντισιδηρομαγνητικές υφές περιστροφής θεωρήθηκαν αόριστες και μόνο μπορεί να παρατηρηθεί χρησιμοποιώντας πολύπλοκες τεχνικές ακτίνων Χ.

«Στείλαμε τα δείγματά μας στον Mete και τους συναδέλφους μας στο Cambridge χωρίς να ξέρουμε ακριβώς τι να περιμένουμε», λέει. «Θυμάμαι ότι το συζητούσαμε και πίστευα ότι δεν θα βλέπαμε τίποτα. Όταν οι εικόνες από το Κέμπριτζ άρχισαν να πέφτουν, συζητήσαμε διαφορετικές ερμηνείες μέχρι που οι ποσοτικές προσομοιώσεις αποκάλυψαν τη μικροσκοπική προέλευση του σήματος».

Μόνο σε αυτό το σημείο η ομάδα κατάλαβε τη μονοπολική φύση της παρατηρούμενης μαγνητικής δομής και έκανε τη σύνδεση με παραδείγματα μονοπόλων στην επιστημονική βιβλιογραφία, λέει. Κόσμος Φυσικής.

Ανάγνωση και ταξινόμηση

Όσο για τις αιτήσεις, μέλος της ομάδας Hariom Jani, μεταδιδακτορικός υπότροφος στην Οξφόρδη και ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, προτείνει ότι τα πρόσφατα παρατηρηθέντα μονόπολα θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως δείκτες για άλλες ασυνήθιστες επιπτώσεις. «Η διασύνδεση μεταξύ των μαγνητικών φορτίων, που είναι οι πηγές/καταβόθρες μικροσκοπικών πεδίων, και η αίσθηση περιέλιξης των αντισιδηρομαγνητικών στροβιλισμών είναι πολύ χρήσιμη επειδή ανοίγει ένα εύκολο μονοπάτι ανάγνωσης και ταξινόμησης εξωτικών αντισιδηρομαγνητικών καταστάσεων», λέει.

Μαγνητικά μονόπολα που βρέθηκαν να κρύβονται σε τοπολογικούς χειρόμορφους κρυστάλλους

Ο συνάδελφός του στο Κέιμπριτζ, διδάκτωρ Άντονι Ταν, συμφωνεί. «Η εργασία μας υπογραμμίζει τη δυνατότητα της κβαντικής μαγνητομετρίας διαμαντιών να αποκαλύψει και να διερευνήσει κρυμμένα μαγνητικά φαινόμενα σε κβαντικά υλικά, τα οποία θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην ανάπτυξη νέων πεδίων μελέτης σε αυτόν τον τομέα», λέει.

Ο απώτερος στόχος της ομάδας, λέει ο Radaelli, είναι να κατασκευάσει συσκευές πραγματικού κόσμου για υπολογιστές επόμενης γενιάς που θα χρησιμοποιούν αυτές τις αντισιδηρομαγνητικές στροβιλισμούς. «Εργαζόμαστε παράλληλα σε δύο ξεχωριστές έννοιες: μία που βασίζεται στην εξομοίωση βιολογικών νευρώνων. και το άλλο σε λεγόμενες πίστες, δηλαδή νανοσκοπικούς «αυτοκινητόδρομους» για τους στροβίλους», λέει. Η κατασκευή τέτοιων συσκευών θα απαιτήσει την κατασκευή ηλεκτρικών επαφών, απαγωγών και μορφοτροπέων σε νανοκλίμακα, προσθέτει: «Αναμένουμε ότι οι τεχνικές σάρωσης πολλαπλών ανιχνευτών, όπως η κβαντική μαγνητομετρία διαμαντιού, θα μας επιτρέψουν να επιταχύνουμε αυτό το έργο».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/magnetic-monopoles-appear-in-haematite/