Mágneses monopólusok jelennek meg a hematitban – Fizika Világa

Az egyesült királyságbeli oxfordi és cambridge-i egyetemek fizikusai mágneses monopólusokat és más szokatlan mágneses struktúrákat észleltek a hematitban, egy természetben előforduló antiferromágneses vas-oxid anyagban. A kutatók által kvantumérzékelési mérések segítségével felfedezett struktúrák alapját képezhetik olyan új eszközöknek, mint a versenypálya-memóriák és a szupergyors, energiahatékony neuromorf számítástechnika.

Egy közönséges rúdmágnes egy északi és egy déli pólusból áll. Szeleteljük ketté, és az így létrejövő feleknek – bármilyen kicsi is – két pólusa is lesz. Valójában a mágnesesség bipoláris természete annyira alapvető, hogy a Maxwell-egyenletekben is megjelenik, ami azt jelenti, hogy bár léteznek izolált pozitív és negatív elektromos töltések, elszigetelt mágneses töltések nem.

Az 1920-as és 1930-as évek kvantumforradalma alatt egyes fizikusok azt feltételezték, hogy a klasszikus elektromágnesesség ezen elvét esetleg felül kell vizsgálni. 1931-ben Paul Dirac volt az első, aki megjósolta, hogy létezhetnek mágneses monopólusok – olyan elemi részecskék, amelyek elszigetelt mágneses északi és déli pólusként működnek, és az elektromos töltések mágneses analógjai. Bár a Dirac által elképzelt típusú mágneses monopólusokat soha nem tekintették szabad részecskéknek, a forgó jégként ismert egzotikus anyagokról azóta kiderült, hogy olyan kollektív állapotokat tartalmaznak, amelyek utánozzák ezeket.

Mágneses töltések kavargó mintái

Az általa vezetett kutatócsoport Mete Atatüre, a vezetője A cambridge-i Cavendish Laboratórium, most egy hasonló „emergens” típusú mágneses monopólust figyelt meg a hematitban. Ezek a monopólusok számos örvénylő spin kollektív állapotai (az elektronok inherens szögmomentumai), amelyek együtt úgy működnek, mint egy lokális stabil részecske, amelyből mágneses tér árad. „Ezek az „antiferromágneses örvények” (amelyeket meronoknak, antimeronoknak és bimeronoknak neveznek) a hematitban „feltörő mágneses monopólusokhoz” kapcsolódnak” – magyarázza a csapat társvezetője. Paolo Radaelli, fizikus Oxfordban. "Ezek az örvények megadják a helyüket, és képesek vagyunk a viselkedésüket gyémánt kvantummagnetometriával és más szkennelési technikákkal tanulmányozni."

A gyémánt kvantummagnetometriában egy apró, gyémántból készült tű egyetlen pörgetését használják az anyag felületén lévő mágneses mező pontos és nem invazív mérésére. „A kvantummagnetometria nagyon apró mágneses tereket képes érzékelni” – magyarázza Atatüre. "Ezért ideálisan alkalmas a mágneses sorrend feltérképezésére az antiferromágnesekben, a mágneses anyagok egy speciális osztályában, amelyekben a helyi mágnesezettség szinte megszűnik."

Egy új megközelítés kifizetődik

A kutatók, akik beszámolnak munkájukról Természeti anyagok, számos szokatlan mágneses struktúrát észlelt a hematitban ezzel a technikával, beleértve a kétdimenziós monopólusokat, dipólusokat és kvadrupólusokat. Ez az első alkalom, hogy kétdimenziós monopólust figyeltek meg egy természetben előforduló mágnesben, mondják. Radaelli hozzáteszi, hogy a csapat nem számított sokat látni, mert az antiferromágneses spin-textúrákat megfoghatatlannak tartották, és csak komplex röntgen technikákkal megfigyelhető.

„Anélkül küldtük el a mintáinkat Mete-nek és kollégáinak Cambridge-be, hogy pontosan tudtuk volna, mire számíthatunk” – mondja. „Emlékszem, amikor megbeszéltük ezt, és azt hittem, hogy nem fogunk látni semmit. Amikor elkezdtek özönleni a Cambridge-i képek, különböző értelmezésekről vitatkoztunk, amíg a kvantitatív szimulációk fel nem tárták a jel mikroszkopikus eredetét.

A kutatócsoport csak ezen a ponton értette meg a megfigyelt mágneses szerkezet monopoláris természetét, és teremtette meg a kapcsolatot a tudományos irodalomban található monopólusokkal. Fizika Világa.

Leolvasás és osztályozás

Ami a jelentkezéseket illeti, csapattag Hariom Jani, egy oxfordi posztdoktori ösztöndíjas és a tanulmány első szerzője azt sugallja, hogy az újonnan megfigyelt monopólusok egyéb szokatlan hatások indikátoraiként is szolgálhatnak. "A mágneses töltések, amelyek az apró mezők forrásai/nyelői, és az antiferromágneses örvények kanyargós érzése közötti összekapcsolás nagyon hasznos, mert könnyű utat nyit meg az egzotikus antiferromágneses állapotok kiolvasásához és osztályozásához" - mondja.

Mágneses monopólusok rejtőznek a topológiai királis kristályokban

Cambridge-i kollégája, PhD hallgatója Anthony Tan, egyetért. „Munkánk rávilágít a gyémánt kvantummagnetometriában rejlő potenciálra a kvantumanyagok rejtett mágneses jelenségeinek feltárására és vizsgálatára, ami segíthet új kutatási területek úttörésében ezen a területen” – mondja.

Radaelli szerint a csapat végső célja az, hogy valós eszközöket hozzon létre a következő generációs számítástechnika számára, amelyek kihasználják ezeket az antiferromágneses örvényeket. „Párhuzamosan két külön koncepción dolgozunk: az egyik a biológiai neuronok emulációján; a másik pedig az úgynevezett versenypályákon, vagyis nanoszkopikus „autópályákon” az örvények számára” – mondja. Az ilyen eszközök megépítéséhez elektromos érintkezőket, vezetékeket és jelátalakítókat kell nanoméretben gyártani, hozzáteszi: „Arra számítunk, hogy a többszondás szkennelési technikák, mint például a gyémántkvantummagnetometria, lehetővé teszik számunkra ennek a munkának a felgyorsítását.”

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/magnetic-monopoles-appear-in-haematite/