Hematiidis tekivad magnetilised monopoolid – füüsikamaailm

Ühendkuningriigi Oxfordi ja Cambridge'i ülikoolide füüsikud on avastanud hematiidis, looduslikult esinevas antiferromagnetilises raudoksiidi materjalis, magnetiliste monopooluste ja muude ebatavaliste magnetstruktuuride allkirju. Struktuurid, mille teadlased avastasid kvantsensoorsete mõõtmiste abil, võivad olla aluseks uudsetele seadmetele, nagu võidusõidurajamälud ja ülikiire, energiasäästlik neuromorfne andmetöötlus.

Tavaline varrasmagnet koosneb põhja- ja lõunapoolusest. Lõika see kaheks pooleks ja mõlemal saadud poolel – ükskõik kui väikesel – on samuti kaks poolust. Tõepoolest, magnetismi bipolaarne olemus on nii oluline, et see ilmneb Maxwelli võrrandites, mis tähendab, et kuigi isoleeritud positiivsed ja negatiivsed elektrilaengud eksisteerivad, ei saa isoleeritud magnetlaenguid.

1920. ja 1930. aastate kvantrevolutsiooni ajal hakkasid mõned füüsikud oletama, et see klassikalise elektromagnetismi põhimõte võib vajada ülevaatamist. 1931. aastal ennustas Paul Dirac esimesena, et magnetilised monopoolused – elementaarosakesed, mis toimivad isoleeritud magnetilise põhja- ja lõunapoolustena ning on elektrilaengute magnetilised analoogid – võivad eksisteerida. Kuigi kavandatud Diraci tüüpi magnetilisi monopooli pole kunagi vaadeldud vabade osakestena, on sellest ajast alates leitud, et eksootilised materjalid, mida nimetatakse spindjääks, sisaldavad neid jäljendavaid kollektiivseid olekuid.

Magnetlaengute keerlevad mustrid

Teadlaste meeskond eesotsas Mete Atatüre, juht Cambridge'i Cavendishi labor, on nüüd täheldanud hematiidis sarnast "tekkivat" tüüpi magnetilist monopooli. Need monopoolid on paljude keerisevate spinnide (elektronide omased nurkmomendid) kollektiivsed olekud, mis koos toimivad nagu lokaliseeritud stabiilne osake, millest lähtub magnetväli. "Neid "antiferromagnetilisi keeriseid" (mida nimetatakse meroonideks, antimeroonideks ja bimeroonideks) hematiidis seostatakse "kerkivate magnetiliste monopoolidega", " selgitab meeskonna kaasjuht. Paolo Radaelli, Oxfordi füüsik. "Need keerised annavad ära nende asukoha ja me saame uurida nende käitumist teemantkvantmagnetomeetria ja muude skaneerimismeetoditega."

Teemantkvantmagnetomeetrias kasutatakse materjali pinnal oleva magnetvälja täpseks ja mitteinvasiivseks mõõtmiseks üht keerutamist väikeses teemandist valmistatud nõelas. "Kvantmagnetomeetria suudab tajuda väga pisikesi magnetvälju, " selgitab Atatüre. "Seega sobib see ideaalselt magnetilise järjekorra kaardistamiseks antiferromagnetides, mis on magnetmaterjalide eriklass, milles kohalik magnetiseerimine peaaegu tühistab."

Uus lähenemine tasub end ära

Teadlased, kes teatavad oma tööst aastal Nature Materials, märkas seda tehnikat kasutades hematiidis mitmeid ebatavalisi magnetilisi struktuure, sealhulgas kahemõõtmelisi monopooli, dipoole ja kvadrupoole. Nad ütlevad, et see on esimene kord, kui looduslikus magnetis on täheldatud kahemõõtmelist monopoolust. Radaelli lisab, et meeskond ei oodanud palju näha, sest antiferromagnetilisi spin-tekstuure peeti tabamatuks ja ainult jälgitav keeruliste röntgenitehnikate abil.

"Saatsime oma proovid Mete'ile ja kolleegidele Cambridge'is, teadmata täpselt, mida oodata," ütleb ta. "Mäletan, et arutasime seda ja arvasin, et me ei näe midagi. Kui Cambridge'i pilte hakkas tulema, arutasime erinevaid tõlgendusi, kuni kvantitatiivsed simulatsioonid näitasid signaali mikroskoopilist päritolu.

Alles sel hetkel mõistis meeskond vaadeldava magnetstruktuuri monopolaarset olemust ja lõi ühenduse teaduskirjanduses olevate monopoolide näidetega, räägib ta. Füüsika maailm.

Lugemine ja klassifikatsioon

Mis puudutab rakendusi, meeskonnaliige Hariom Jani, Oxfordi järeldoktor ja uuringu esimene autor, arvab, et äsja täheldatud monopolid võivad olla indikaatorid muudele ebatavalistele mõjudele. "Magnetlaengute, mis on pisikeste väljade allikad / neelajad, ja antiferromagnetiliste keeriste vaheline seos on üsna kasulik, kuna see avab lihtsa tee eksootiliste antiferromagnetiliste olekute väljalugemiseks ja klassifitseerimiseks," ütleb ta.

Topoloogilistes kiraalsetes kristallides peituvad magnetilised monopoolid

Tema Cambridge'i kolleeg, doktorant Anthony Tan, nõustub. "Meie töö tõstab esile teemant-kvantmagnetomeetria potentsiaali kvantmaterjalide peidetud magnetnähtuste avastamiseks ja uurimiseks, mis võib aidata selles valdkonnas uute uurimisvaldkondade teerajajaks," ütleb ta.

Radaelli sõnul on meeskonna lõppeesmärk ehitada järgmise põlvkonna andmetöötluse jaoks reaalseid seadmeid, mis kasutavad neid antiferromagnetilisi keeriseid. „Töötame paralleelselt kahe erineva kontseptsiooni kallal: üks põhineb bioloogiliste neuronite emuleerimisel; ja teine ​​nn võidusõiduradadel, st nanoskoopilistel "kiirteedel" pööriste jaoks,” räägib ta. Ta lisab, et selliste seadmete ehitamiseks on vaja elektrikontakte, juhtmeid ja andureid valmistada nanomõõtmetes: "Eeldame, et mitme sondiga skaneerimise tehnikad, näiteks teemantkvantmagnetomeetria, võimaldavad meil seda tööd kiirendada."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/magnetic-monopoles-appear-in-haematite/