Magnetiske monopoler vises i hematitt – Physics World

Fysikere ved universitetene i Oxford og Cambridge i Storbritannia har oppdaget signaturer av magnetiske monopoler og andre uvanlige magnetiske strukturer i hematitt, et naturlig forekommende antiferromagnetisk jernoksidmateriale. Strukturene, som forskerne oppdaget ved hjelp av kvantemålinger, kan danne grunnlaget for nye enheter som racerbaneminner og superrask, energieffektiv nevromorf databehandling.

En vanlig stangmagnet består av en nord- og en sørpol. Del den i to, og hver av de resulterende halvdelene - uansett hvor små - vil også ha to poler. Faktisk er den bipolare naturen til magnetisme så grunnleggende at den dukker opp i Maxwells ligninger, som antyder at selv om isolerte positive og negative elektriske ladninger eksisterer, kan isolerte magnetiske ladninger ikke.

Under kvanterevolusjonen på 1920- og 1930-tallet begynte noen fysikere å spekulere i at dette prinsippet om klassisk elektromagnetisme kunne trenge en revisjon. I 1931 ble Paul Dirac den første som forutså at magnetiske monopoler – elementærpartikler som fungerer som isolerte magnetiske nord- og sørpoler og er de magnetiske analogene til elektriske ladninger – kunne eksistere. Selv om magnetiske monopoler av typen Dirac så for seg aldri har blitt sett på som frie partikler, har eksotiske materialer kjent som spin ices siden blitt funnet å være vertskap for kollektive stater som etterligner dem.

Virvlende mønstre av magnetiske ladninger

Et team av forskere ledet av Mete Atatüre, lederen av Cambridges Cavendish Laboratory, har nå observert en lignende "emergent" type magnetisk monopol i hematitt. Disse monopolene er kollektive tilstander av mange virvlende spinn (iboende vinkelmoment av elektroner) som sammen fungerer som en lokalisert stabil partikkel med et magnetfelt som kommer fra den. "Disse 'antiferromagnetiske virvlene' (som kalles meroner, antimeroner og bimeroner) i hematitt er assosiert med 'emergent magnetiske monopoler'," forklarer teamets medleder Paolo Radaelli, fysiker ved Oxford. "Disse virvlene gir bort deres plassering, og vi er i stand til å studere oppførselen deres med diamantkvantemagnetometri og andre skanningsteknikker."

I diamantkvantemagnetometri brukes et enkelt spinn i en liten nål laget av diamant til å nøyaktig og ikke-invasivt måle magnetfeltet på overflaten av et materiale. "Kvantemagnetometri kan registrere veldig små magnetiske felt," forklarer Atatüre. "Derfor er den ideell for å kartlegge den magnetiske rekkefølgen i antiferromagneter, en spesiell klasse av magnetiske materialer der den lokale magnetiseringen nesten opphever seg."

En ny tilnærming lønner seg

Forskerne, som rapporterer om sitt arbeid i Nature Materials, oppdaget flere uvanlige magnetiske strukturer i hematitt ved bruk av denne teknikken, inkludert todimensjonale monopoler, dipoler og kvadrupoler. Dette er første gang en todimensjonal monopol er observert i en naturlig forekommende magnet, sier de. Radaelli legger til at teamet ikke forventet å se mye fordi antiferromagnetiske spinnteksturer ble ansett som unnvikende og bare observerbar ved bruk av komplekse røntgenteknikker.

"Vi sendte prøvene våre til Mete og kolleger i Cambridge uten å vite nøyaktig hva vi kunne forvente," sier han. "Jeg husker at jeg diskuterte dette og tenkte at vi ikke ville se noe. Da bildene fra Cambridge begynte å strømme inn, diskuterte vi forskjellige tolkninger inntil kvantitative simuleringer avslørte den mikroskopiske opprinnelsen til signalet."

Det var først på dette tidspunktet at teamet forsto den monopolare naturen til den observerte magnetiske strukturen og gjorde sammenhengen med eksempler på monopoler i den vitenskapelige litteraturen, forteller han Fysikkens verden.

Avlesning og klassifisering

Når det gjelder søknader, teammedlem Hariom Jani, en postdoktor ved Oxford og den første forfatteren av studien, antyder at de nylig observerte monopolene kan tjene som indikatorer for andre uvanlige effekter. "Sammenkoblingen mellom de magnetiske ladningene, som er kildene/synkene til små felt, og den svingete følelsen av antiferromagnetiske virvler er ganske nyttig fordi det åpner opp en enkel vei for å lese ut og klassifisere eksotiske antiferromagnetiske tilstander," sier han.

Magnetiske monopoler funnet på lur i topologiske kirale krystaller

Hans Cambridge-kollega, PhD-student Anthony Tan, er enig. "Vårt arbeid fremhever potensialet til diamantkvantemagnetometri for å avdekke og undersøke skjulte magnetiske fenomener i kvantematerialer, noe som kan være med på å være banebrytende for nye studiefelt på dette området," sier han.

Teamets endelige mål, sier Radaelli, er å konstruere virkelige enheter for neste generasjons databehandling som gjør bruk av disse antiferromagnetiske virvelene. «Vi jobber parallelt med to separate konsepter: ett basert på å emulere biologiske nevroner; og den andre på såkalte veddeløpsbaner, det vil si nanoskopiske 'motorveier' for virvlene,» sier han. Å konstruere slike enheter vil kreve at elektriske kontakter, ledninger og transdusere produseres i nanoskala, legger han til: "Vi forventer at multi-probe-skanningsteknikker, som diamantkvantemagnetometri, vil gjøre oss i stand til å raskere dette arbeidet."

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/magnetic-monopoles-appear-in-haematite/