מונופולים מגנטיים מופיעים בהמטייט - עולם הפיזיקה

פיזיקאים באוניברסיטאות אוקספורד וקיימברידג' בבריטניה הבחינו בחתימות של מונופולים מגנטיים ומבנים מגנטיים יוצאי דופן אחרים בהמטייט, חומר טבעי של תחמוצת ברזל אנטי-פרומגנטית. המבנים, שגילו החוקרים באמצעות מדידות חישה קוונטית, יכולים להוות בסיס להתקנים חדשניים כגון זכרונות מסלולי מירוצים ומחשוב נוירומורפי מהיר ויעיל במיוחד.

מגנט בר רגיל מורכב מקוטב צפוני וקוטב דרומי. פורסים אותו לשניים, ולכל אחד מהחצאים שיתקבלו - קטן ככל שיהיה - יהיו גם שני מוטות. ואכן, האופי הדו-קוטבי של המגנטיות הוא כה בסיסי עד שהוא מופיע במשוואות של מקסוול, מה שמרמז שלמרות שקיימים מטענים חשמליים חיוביים ושליליים מבודדים, מטענים מגנטיים מבודדים אינם יכולים.

במהלך המהפכה הקוונטית של שנות ה-1920 וה-1930, כמה פיזיקאים החלו לשער שייתכן ועקרון זה של אלקטרומגנטיות קלאסית צריך תיקון. בשנת 1931 הפך פול דיראק לראשון שחזה שמונופולים מגנטיים - חלקיקים אלמנטריים הפועלים כקוטב צפוני ודרום מגנטי מבודד והם האנלוגים המגנטיים של מטענים חשמליים - יכולים להתקיים. למרות שמונופולים מגנטיים מהסוג שחזה דיראק מעולם לא נתפסו כחלקיקים חופשיים, חומרים אקזוטיים הידועים כקרח ספין התגלו מאז כמארחים מצבים קולקטיביים המחקים אותם.

תבניות מסתחררות של מטענים מגנטיים

צוות חוקרים בראשות מטה אטאטורראשו של מעבדת קוונדיש של קיימברידג', צפה כעת בסוג "מתעורר" דומה של מונופול מגנטי בהמטייט. מונופולים אלה הם מצבים קולקטיביים של ספינים רבים ומתערבלים (מומנטה זוויתית אינהרנטית של אלקטרונים) שיחדיו פועלים כמו חלקיק יציב מקומי עם שדה מגנטי הנובע ממנו. "ה'מערבולות האנטי-פרומגנטיות' (הנקראות מירונים, אנטימרונים ובימרונים) בהמטייט קשורות ל'מונופולים מגנטיים מתעוררים'", מסביר המנהיג השותף של הצוות פאולו רדאאלי, פיזיקאי באוקספורד. "המערבולות הללו מסירות את מיקומן ואנו מסוגלים לחקור את התנהגותן באמצעות מגנומטריה קוונטית של יהלומים וטכניקות סריקה אחרות."

במגנטומטריה קוונטית של יהלומים, ספין בודד במחט זעירה העשויה מיהלום משמש למדידה מדויקת ולא פולשנית של השדה המגנטי על פני חומר. "מגנטומטריה קוונטית יכולה לחוש שדות מגנטיים זעירים מאוד", מסביר אטאטור. "לכן, הוא מתאים באופן אידיאלי למפות את הסדר המגנטי באנטי-פרומגנטים, סוג מיוחד של חומרים מגנטיים שבהם המגנטיזציה המקומית כמעט מתבטלת."

גישה חדשה משתלמת

החוקרים המדווחים על עבודתם ב חומרי טבע, הבחין במספר מבנים מגנטיים יוצאי דופן בהמטייט באמצעות טכניקה זו, כולל מונופולים דו-מימדיים, דיפולים וארבע-פולים. זו הפעם הראשונה שמונופול דו-ממדי נצפה במגנט המופיע באופן טבעי, הם אומרים. ראדאלי מוסיף שהצוות לא ציפה לראות הרבה כי מרקמי ספין אנטי-פרומגנטיים נחשבו חמקמקים ורק ניתן לצפייה באמצעות טכניקות רנטגן מורכבות.

"שלחנו את הדגימות שלנו למט ולעמיתים בקיימברידג' מבלי לדעת בדיוק למה לצפות", הוא אומר. "אני זוכר שדיברתי על זה וחשבתי שלא נראה כלום. כשהתמונות מקיימברידג' התחילו לזרום פנימה, התווכחנו על פרשנויות שונות עד שסימולציות כמותיות חשפו את המקור המיקרוסקופי של האות".

רק בשלב זה הבין הצוות את האופי המונופולרי של המבנה המגנטי הנצפה ויצר את הקשר עם דוגמאות של מונופולים בספרות המדעית, הוא מספר. עולם הפיזיקה.

קריאה וסיווג

באשר לבקשות, חבר צוות הריום ג'אני, פוסט דוקטורט באוקספורד והמחבר הראשון של המחקר, מציע שהמונופולים החדשים שנצפו יכולים לשמש אינדיקטורים להשפעות חריגות אחרות. "החיבור בין המטענים המגנטיים, שהם מקורות/שקעים של שדות זעירים, לבין התחושה המתפתלת של המערבולת האנטי-פרומגנטית הוא שימושי למדי מכיוון שהוא פותח מסלול קל לקרוא ולסווג מצבים אנטי-פרומגנטיים אקזוטיים", הוא אומר.

מונופולים מגנטיים שנמצאו אורבים בגבישים כיראליים טופולוגיים

עמיתו לקיימברידג', סטודנט לדוקטורט אנתוני טאן, מסכים. "העבודה שלנו מדגישה את הפוטנציאל של מגנומטריה קוונטית של יהלומים לחשוף ולחקור תופעות מגנטיות נסתרות בחומרים קוונטיים, מה שיכול לעזור לחלוץ בתחומי מחקר חדשים בתחום זה", הוא אומר.

המטרה הסופית של הצוות, אומר Radaelli, היא לבנות מכשירים מהעולם האמיתי עבור מחשוב הדור הבא שעושים שימוש במערבולות האנטי-פרומגנטיות הללו. "אנחנו עובדים במקביל על שני מושגים נפרדים: אחד המבוסס על חיקוי נוירונים ביולוגיים; והשני במה שנקרא מסלולי מירוצים, כלומר 'כבישים מהירים' ננוסקופיים למערבולות", הוא אומר. בניית מכשירים כאלה תצריך ייצור של מגעים חשמליים, מובילים ומתמרים בקנה מידה ננו, הוא מוסיף: "אנו צופים שטכניקות סריקה מרובות בדיקה, כגון מגנומטריה קוונטית של יהלומים, יאפשרו לנו לעקוב אחר עבודה זו במהירות."

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/magnetic-monopoles-appear-in-haematite/