تک قطبی های مغناطیسی در هماتیت - دنیای فیزیک ظاهر می شوند

تک قطبی های مغناطیسی در هماتیت - دنیای فیزیک ظاهر می شوند

تمبر زمان: 23 فوریه 2024، 4:30 صبح

تصویر هنرمند از تک قطبی های مغناطیسی در هماتیت، که خطوط میدان صورتی را نشان می دهد که از شبکه ای از ذرات بیرون می آیند.
تصویری از تک قطبی های مغناطیسی در هماتیت. (تقدیم: استودیو الا مارو)

فیزیکدانان دانشگاه‌های آکسفورد و کمبریج در بریتانیا نشانه‌هایی از تک قطبی‌های مغناطیسی و دیگر ساختارهای مغناطیسی غیرمعمول را در هماتیت، یک ماده اکسید آهن ضد فرومغناطیسی طبیعی مشاهده کرده‌اند. ساختارهایی که محققان با استفاده از اندازه‌گیری‌های سنجش کوانتومی کشف کردند، می‌توانند مبنایی برای دستگاه‌های جدیدی مانند حافظه‌های مسیر مسابقه و محاسبات نورومورفیک بسیار سریع و کارآمد باشند.

یک آهنربای میله ای معمولی از یک قطب شمال و یک قطب جنوب تشکیل شده است. آن را به دو قسمت برش دهید و هر یک از نیمه های به دست آمده – هر چقدر هم که کوچک باشند – دارای دو قطب خواهند بود. در واقع، ماهیت دوقطبی مغناطیس به قدری اساسی است که در معادلات ماکسول ظاهر می شود، که به این معنی است که اگرچه بارهای الکتریکی مثبت و منفی ایزوله وجود دارد، بارهای مغناطیسی ایزوله نمی توانند.

در طول انقلاب کوانتومی دهه‌های 1920 و 1930، برخی از فیزیکدانان شروع به این گمانه‌زنی کردند که این اصل الکترومغناطیس کلاسیک ممکن است نیاز به بازبینی داشته باشد. در سال 1931 پل دیراک اولین کسی بود که پیش بینی کرد تک قطبی های مغناطیسی - ذرات بنیادی که به عنوان قطب های مغناطیسی ایزوله شمال و جنوب عمل می کنند و مشابه مغناطیسی بارهای الکتریکی هستند - ممکن است وجود داشته باشند. اگرچه تک‌قطبی‌های مغناطیسی از نوع دیراک هرگز به‌عنوان ذرات آزاد دیده نشده‌اند، اما از آن زمان مواد عجیب و غریبی که به نام یخ‌های اسپین شناخته می‌شوند میزبان حالت‌های جمعی هستند که از آنها تقلید می‌کنند.

الگوهای چرخشی بارهای مغناطیسی

تیمی از محققان به رهبری مته آتاتوره، رئیس آزمایشگاه کاوندیش کمبریج، اکنون نوع مشابهی از تک قطبی مغناطیسی "ظهور" را در هماتیت مشاهده کرده است. این تک قطبی‌ها حالت‌های جمعی از اسپین‌های چرخشی بسیاری هستند (گمان‌های زاویه‌ای ذاتی الکترون‌ها) که با هم مانند یک ذره پایدار موضعی با میدان مغناطیسی ناشی از آن عمل می‌کنند. یکی از رهبران تیم توضیح می‌دهد: «این چرخش‌های ضد فرومغناطیسی (که مرون، آنتی‌مرون و بی‌مرون نامیده می‌شوند) در هماتیت با «تک‌قطبی‌های مغناطیسی اضطراری» مرتبط هستند. پائولو رادالی، یک فیزیکدان در آکسفورد. این چرخش ها مکان خود را نشان می دهند و ما می توانیم رفتار آنها را با مغناطیس سنجی کوانتومی الماس و سایر تکنیک های اسکن بررسی کنیم.

در مغناطیس سنجی کوانتومی الماس، از یک چرخش در یک سوزن کوچک ساخته شده از الماس برای اندازه گیری دقیق و غیرتهاجمی میدان مغناطیسی روی سطح یک ماده استفاده می شود. آتاتوره توضیح می دهد: "مگنت سنجی کوانتومی می تواند میدان های مغناطیسی بسیار ریز را حس کند." از این رو، برای ترسیم نظم مغناطیسی در ضد فرومغناطیس ها، یک کلاس خاص از مواد مغناطیسی که در آن مغناطش محلی تقریباً از بین می رود، ایده آل است.

یک رویکرد جدید نتیجه می دهد

محققانی که کار خود را در مواد طبیعتبا استفاده از این تکنیک چندین ساختار مغناطیسی غیرعادی را در هماتیت مشاهده کرد، از جمله تک قطبی های دوبعدی، دوقطبی و چهارقطبی. آنها می گویند این اولین بار است که یک تک قطبی دو بعدی در یک آهنربای طبیعی مشاهده می شود. رادالی می افزاید که تیم انتظار نداشت چیز زیادی ببیند زیرا بافت های اسپین ضد فرومغناطیسی گریزان و تنها با استفاده از تکنیک های پیچیده اشعه ایکس قابل مشاهده است.

او می‌گوید: «ما نمونه‌های خود را برای Mete و همکارانش در کمبریج فرستادیم بدون اینکه بدانیم دقیقاً چه انتظاری داریم. به یاد می‌آورم که درباره این موضوع بحث می‌کردم و فکر می‌کردم که چیزی نخواهیم دید. هنگامی که تصاویر از کمبریج شروع به سرازیر شدن کردند، ما در مورد تفاسیر مختلف بحث کردیم تا اینکه شبیه‌سازی‌های کمی منشأ میکروسکوپی سیگنال را نشان داد.

او می گوید تنها در این مرحله بود که تیم ماهیت تک قطبی ساختار مغناطیسی مشاهده شده را درک کرد و با نمونه هایی از تک قطبی در ادبیات علمی ارتباط برقرار کرد. دنیای فیزیک.

بازخوانی و طبقه بندی

در مورد برنامه ها، عضو تیم هاریوم جانییک محقق فوق دکتری در آکسفورد و اولین نویسنده این مطالعه، پیشنهاد می کند که تک قطبی های تازه مشاهده شده می توانند به عنوان شاخص هایی برای سایر اثرات غیرعادی عمل کنند. او می‌گوید: «ارتباط بین بارهای مغناطیسی، که منبع/غرق میدان‌های کوچک هستند، و حس پیچ‌خوردگی چرخش‌های ضد فرومغناطیسی بسیار مفید است زیرا مسیر آسانی را برای خواندن و طبقه‌بندی حالت‌های ضد فرومغناطیسی عجیب و غریب باز می‌کند.

همکار او در کمبریج، دانشجوی دکترا آنتونی تان، موافق است. او می‌گوید: «کار ما پتانسیل مغناطیس‌سنجی کوانتومی الماس را برای کشف و بررسی پدیده‌های مغناطیسی پنهان در مواد کوانتومی برجسته می‌کند، که می‌تواند به پیشرو در زمینه‌های مطالعاتی جدید در این زمینه کمک کند.

Radaelli می گوید هدف نهایی این تیم ساخت دستگاه های دنیای واقعی برای محاسبات نسل بعدی است که از این چرخش های ضد فرومغناطیسی استفاده می کنند. ما به طور موازی روی دو مفهوم جداگانه کار می کنیم: یکی مبتنی بر شبیه سازی نورون های بیولوژیکی. و دیگری در به اصطلاح پیست‌های مسابقه، یعنی «بزرگراه‌های نانوسکوپی» برای گرداب‌ها.» او می‌گوید. او می افزاید: «ما پیش بینی می کنیم که تکنیک های اسکن چند پروب مانند مغناطیس سنجی کوانتومی الماسی، ما را قادر می سازد تا این کار را سریع ردیابی کنیم، ساخت چنین دستگاه هایی نیاز به تماس های الکتریکی، سرنخ ها و مبدل هایی دارد که در مقیاس نانو ساخته شوند.»

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک