W hematycie pojawiają się monopole magnetyczne – Świat Fizyki

W hematycie pojawiają się monopole magnetyczne – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 23 lutego 2024 r. 4:30

Artystyczna ilustracja przedstawiająca monopole magnetyczne w hematycie, przedstawiająca różowe linie pola wyłaniające się z sieci cząstek
Ilustracja monopoli magnetycznych w hematycie. (Dzięki uprzejmości: Ella Maru Studio)

Fizycy z uniwersytetów w Oksfordzie i Cambridge w Wielkiej Brytanii zauważyli sygnatury monopoli magnetycznych i innych niezwykłych struktur magnetycznych w hematycie, naturalnie występującym antyferromagnetycznym materiale z tlenku żelaza. Struktury odkryte przez naukowców za pomocą pomiarów kwantowych mogą stanowić podstawę nowatorskich urządzeń, takich jak pamięci torów wyścigowych i superszybkie, energooszczędne obliczenia neuromorficzne.

Zwykły magnes sztabkowy składa się z bieguna północnego i południowego. Przetnij go na dwie części, a każda z powstałych połówek – niezależnie od tego, jak mała – będzie również miała dwa bieguny. Rzeczywiście, dwubiegunowa natura magnetyzmu jest tak fundamentalna, że ​​pojawia się w równaniach Maxwella, z których wynika, że ​​chociaż istnieją izolowane dodatnie i ujemne ładunki elektryczne, izolowane ładunki magnetyczne nie mogą.

Podczas rewolucji kwantowej w latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku niektórzy fizycy zaczęli spekulować, że zasada klasycznego elektromagnetyzmu może wymagać rewizji. W 1920 roku Paul Dirac jako pierwszy przewidział, że mogą istnieć monopole magnetyczne – cząstki elementarne, które działają jak izolowane magnetyczne bieguny północne i południowe oraz są magnetycznymi analogami ładunków elektrycznych. Chociaż monopole magnetyczne typu przewidywanego przez Diraca nigdy nie były postrzegane jako wolne cząstki, odkryto, że w egzotycznych materiałach, znanych jako lody wirowe, występują stany zbiorowe, które je naśladują.

Wirujące wzory ładunków magnetycznych

Zespół badaczy kierowany przez Mete Atatüre, głowa Laboratorium Cavendish w Cambridgezaobserwował obecnie podobny „wyłaniający się” typ monopolu magnetycznego w hematycie. Te monopole to zbiorowe stany wielu wirujących spinów (wrodzonych momentów kątowych elektronów), które razem działają jak zlokalizowana stabilna cząstka z emanującym z niej polem magnetycznym. „Te «wiry antyferromagnetyczne» (zwane meronami, antymeronami i bimeronami) w hematytu są powiązane z «powstającymi monopolami magnetycznymi»” – wyjaśnia współprzewodniczący zespołu Paolo Radaelli, fizyk z Oksfordu. „Te wiry zdradzają ich lokalizację, a my jesteśmy w stanie badać ich zachowanie za pomocą diamentowej magnetometrii kwantowej i innych technik skanowania”.

W diamentowej magnetometrii kwantowej pojedynczy spin maleńkiej igły wykonanej z diamentu służy do precyzyjnego i nieinwazyjnego pomiaru pola magnetycznego na powierzchni materiału. „Magnetometria kwantowa może wykryć bardzo małe pola magnetyczne” – wyjaśnia Atatüre. „Dlatego idealnie nadaje się do mapowania porządku magnetycznego w antyferromagnesach, specjalnej klasie materiałów magnetycznych, w których lokalne namagnesowanie prawie zanika”.

Nowe podejście się opłaca

Badacze, którzy zgłaszają swoją pracę w: Materiały przyrodniczezaobserwowali przy użyciu tej techniki kilka niezwykłych struktur magnetycznych w hematycie, w tym dwuwymiarowe monopole, dipole i kwadrupole. Twierdzą, że po raz pierwszy zaobserwowano dwuwymiarowy monopol w naturalnie występującym magnesie. Radaelli dodaje, że zespół nie spodziewał się wiele zobaczyć, ponieważ tekstury spinu antyferromagnetycznego uznano za nieuchwytne i dostępne jedynie można zaobserwować przy użyciu skomplikowanych technik rentgenowskich.

„Wysłaliśmy nasze próbki do Mete i współpracowników w Cambridge, nie wiedząc dokładnie, czego się spodziewać” – mówi. „Pamiętam, jak o tym rozmawialiśmy i myślałem, że nic nie zobaczymy. Kiedy zaczęły napływać zdjęcia z Cambridge, debatowaliśmy nad różnymi interpretacjami, aż symulacje ilościowe ujawniły mikroskopijne pochodzenie sygnału”.

Dopiero w tym momencie zespół zrozumiał monopolarny charakter obserwowanej struktury magnetycznej i nawiązał do przykładów monopoli z literatury naukowej, opowiada Świat Fizyki.

Odczyt i klasyfikacja

Jeśli chodzi o aplikacje, członek zespołu Hariom Jani, doktorant w Oksfordzie i pierwszy autor badania, sugeruje, że nowo zaobserwowane monopole mogą służyć jako wskaźniki innych niezwykłych efektów. „Wzajemne połączenie między ładunkami magnetycznymi, które są źródłami/odpływami maleńkich pól, a krętym zmysłem wirów antyferromagnetycznych jest całkiem przydatne, ponieważ otwiera łatwą drogę do odczytania i klasyfikacji egzotycznych stanów antyferromagnetycznych” – mówi.

Jego kolega z Cambridge, doktorant Anthony Tan, zgadza się. „Nasza praca podkreśla potencjał diamentowej magnetometrii kwantowej w odkrywaniu i badaniu ukrytych zjawisk magnetycznych w materiałach kwantowych, co może pomóc w pionierskich nowych dziedzinach badań w tej dziedzinie” – mówi.

Radaelli twierdzi, że ostatecznym celem zespołu jest skonstruowanie rzeczywistych urządzeń do obliczeń nowej generacji, które będą wykorzystywać wiry antyferromagnetyczne. „Pracujemy równolegle nad dwiema odrębnymi koncepcjami: jedną opartą na emulacji neuronów biologicznych; a druga na tzw. torach wyścigowych, czyli nanoskopowych „autostradach” dla wirów” – mówi. Konstruowanie takich urządzeń będzie wymagało wykonania styków elektrycznych, przewodów i przetworników w nanoskali, dodaje: „Przewidujemy, że techniki skanowania wielosondowego, takie jak diamentowa magnetometria kwantowa, umożliwią nam przyspieszenie tych prac”.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki