적철석에 자기 단극이 나타난다 – 물리학 세계

적철석에 자기 단극이 나타난다 – 물리학 세계

타임 스탬프 : 23 년 2024 월 4 일 오전 30:XNUMX

입자 격자에서 나오는 분홍색 자기장 선을 보여주는 적철석의 자기 단극에 대한 예술가의 그림
적철석의 자기 단극 그림. (제공: 엘라 마루 스튜디오)

영국 옥스포드 대학과 케임브리지 대학의 물리학자들은 자연적으로 발생하는 반강자성 산화철 물질인 적철석에서 자기 단극과 기타 특이한 자기 구조의 흔적을 발견했습니다. 연구원들이 양자 감지 측정을 사용하여 발견한 구조는 경마장 메모리 및 초고속, 에너지 효율적인 뉴로모픽 컴퓨팅과 같은 새로운 장치의 기초를 형성할 수 있습니다.

일반적인 막대 자석은 북극과 남극으로 구성됩니다. 두 개로 자르면 아무리 작은 조각이라도 각각 두 개의 극을 갖게 됩니다. 실제로, 자기의 양극성 특성은 너무나 근본적이어서 맥스웰의 방정식에 나타나게 됩니다. 이는 고립된 양전하와 음전하가 존재하더라도 고립된 자기 전하는 존재할 수 없음을 의미합니다.

1920년대와 1930년대의 양자 혁명 동안 일부 물리학자들은 고전 전자기학의 원리를 수정해야 할 수도 있다고 추측하기 시작했습니다. 1931년 폴 디랙(Paul Dirac)은 고립된 자기 북극과 남극으로 작용하고 전하의 자기 유사체인 기본 입자인 자기 단극이 존재할 수 있음을 최초로 예측했습니다. Dirac이 구상한 유형의 자기 단극은 자유 입자로 본 적이 없지만 스핀 아이스로 알려진 이국적인 물질이 이를 모방하는 집단 상태를 호스팅하는 것으로 밝혀졌습니다.

자기 전하의 소용돌이 패턴

가 이끄는 연구팀 메테 아타튀르,의 머리 케임브리지 캐번디시 연구소, 적철석에서 유사한 "신생" 유형의 자기 단극이 관찰되었습니다. 이러한 단극은 소용돌이치는 많은 스핀(전자의 고유한 각운동량)의 집합적 상태로, 자기장이 방출되는 국지적 안정 입자처럼 작용합니다. “적철석의 이러한 '반강자성 소용돌이'(메론, 반메론, 바이메론이라고 함)는 '창발 자기 단극'과 연관되어 있습니다."라고 팀의 공동 리더가 설명합니다. 파올로 라다엘리, 옥스포드의 물리학자. "이러한 소용돌이는 위치를 알려주고 우리는 다이아몬드 양자 자기 측정법 및 기타 스캐닝 기술을 사용하여 그들의 행동을 연구할 수 있습니다."

다이아몬드 양자 자기측정법에서는 다이아몬드로 만든 작은 바늘의 단일 스핀을 사용하여 재료 표면의 자기장을 정밀하고 비침습적으로 측정합니다. Atatüre는 “양자 자기측정법은 매우 작은 자기장을 감지할 수 있습니다.”라고 설명합니다. "따라서 국지적 자화가 거의 상쇄되는 특별한 종류의 자성 재료인 반강자성체의 자기 순서를 매핑하는 데 이상적으로 적합합니다."

새로운 접근 방식의 성과

에 그들의 작업을 보고하는 연구원들은 자연 재료, 이 기술을 사용하여 적철석에서 2차원 단극, 쌍극자 및 사중극을 포함하는 몇 가지 특이한 자기 구조를 발견했습니다. 자연적으로 발생하는 자석에서 2차원 단극이 관찰된 것은 이번이 처음이다. Radaelli는 반강자성 스핀 텍스처가 파악하기 어렵고 유일한 것으로 간주되었기 때문에 팀이 많은 것을 기대하지 않았다고 덧붙였습니다. 복잡한 X선 기술을 사용하여 관찰 가능.

"우리는 무엇을 기대해야 할지 정확히 알지 못한 채 캠브리지에 있는 Mete와 동료들에게 샘플을 보냈습니다."라고 그는 말합니다. “나는 이 문제에 대해 논의하고 우리가 아무것도 볼 수 없을 것이라고 생각했던 것을 기억합니다. 캠브리지의 이미지가 쏟아져 들어오기 시작했을 때 우리는 정량적 시뮬레이션을 통해 신호의 미세한 기원이 밝혀질 때까지 다양한 해석에 대해 토론했습니다."

연구팀은 관찰된 자기 구조의 단극 특성을 이해하고 과학 문헌에 나오는 단극의 예와 연결한 것은 바로 이 시점이었다고 그는 말했습니다. 물리 세계.

판독 및 분류

지원서는 팀원 하리옴 자니옥스포드의 박사후 연구원이자 이번 연구의 첫 번째 저자인 는 새로 관찰된 단극이 다른 특이한 효과에 대한 지표가 될 수 있다고 제안했습니다. “작은 자기장의 소스/싱크인 자기 전하와 반강자성 소용돌이의 구불구불한 감각 사이의 상호 연결은 이국적인 반강자성 상태를 판독하고 분류하는 쉬운 경로를 열어주기 때문에 매우 유용합니다.”라고 그는 말합니다.

그의 케임브리지 동료이자 박사 과정 학생 앤서니 탄, 동의합니다. "우리의 연구는 양자 물질에 ​​숨겨진 자기 현상을 발견하고 조사하는 다이아몬드 양자 자기측정법의 잠재력을 강조하며, 이는 이 분야의 새로운 연구 분야를 개척하는 데 도움이 될 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

Radaelli는 팀의 궁극적인 목표는 이러한 반강자성 소용돌이를 활용하는 차세대 컴퓨팅을 위한 실제 장치를 구축하는 것이라고 말합니다. “우리는 두 가지 별도의 개념을 동시에 연구하고 있습니다. 하나는 생물학적 뉴런을 모방하는 것입니다. 다른 하나는 소위 경마장, 즉 소용돌이를 위한 나노 수준의 '고속도로'입니다.”라고 그는 말합니다. 이러한 장치를 구축하려면 전기 접점, 리드 및 변환기를 나노 규모로 제작해야 한다고 그는 덧붙입니다. "우리는 다이아몬드 양자 자기 측정법과 같은 다중 프로브 스캐닝 기술을 통해 이 작업을 빠르게 진행할 수 있을 것으로 기대합니다."

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