Monopolii magnetici apar în hematită – Physics World

Monopolii magnetici apar în hematită – Physics World

Marca temporală: 23 februarie 2024 4:30

Ilustrație de artist a monopolurilor magnetice din hematită, care arată linii de câmp roz care ies dintr-o rețea de particule
O ilustrare a monopolurilor magnetice din hematită. (Cu amabilitatea: Ella Maru Studio)

Fizicienii de la universitățile Oxford și Cambridge din Marea Britanie au observat semnături ale monopolurilor magnetice și ale altor structuri magnetice neobișnuite în hematită, un material oxid de fier antiferomagnetic natural. Structurile, pe care cercetătorii le-au descoperit utilizând măsurători cu detecție cuantică, ar putea constitui baza pentru dispozitive noi, cum ar fi amintirile de circuite și calcularea neuromorfă super-rapidă și eficientă din punct de vedere energetic.

Un magnet obișnuit de bară este format dintr-un pol nord și un pol sud. Tăiați-o în două, iar fiecare dintre jumătățile rezultate – oricât de mică – va avea și doi poli. Într-adevăr, natura bipolară a magnetismului este atât de fundamentală încât apare în ecuațiile lui Maxwell, care implică faptul că, deși există sarcini electrice izolate pozitive și negative, sarcinile magnetice izolate nu pot.

În timpul revoluției cuantice din anii 1920 și 1930, unii fizicieni au început să speculeze că acest principiu al electromagnetismului clasic ar putea avea nevoie de revizuire. În 1931, Paul Dirac a fost primul care a prezis că ar putea exista monopoluri magnetice – particule elementare care acționează ca poli nord și sud magnetic izolați și sunt analogii magnetici ai sarcinilor electrice. Deși monopolurile magnetice de tipul preconizat de Dirac nu au fost niciodată văzute ca particule libere, de atunci s-a descoperit că materialele exotice cunoscute sub numele de spin ice găzduiesc stări colective care le imită.

Modele învolburate ale sarcinilor magnetice

O echipă de cercetători condusă de Mete Atatüre, șeful din Laboratorul Cavendish din Cambridge, a observat acum un tip similar de monopol magnetic „emergent” în hematită. Acești monopoli sunt stări colective ale mai multor spini învolburați (momentul unghiular inerent al electronilor) care, împreună, acționează ca o particulă stabilă localizată cu un câmp magnetic emanat din ea. „Aceste „vârtejuri antiferomagnetice” (care se numesc meroni, antimeroni și bimeroni) din hematită sunt asociate cu „monopoli magnetici emergenti”, explică co-liderul echipei. Paolo Radaelli, fizician la Oxford. „Aceste vârtej ne dezvăluie locația și suntem capabili să studiem comportamentul lor cu magnetometrie cuantică cu diamant și alte tehnici de scanare.”

În magnetometria cuantică a diamantului, o singură rotație a unui ac mic făcut din diamant este folosită pentru a măsura precis și neinvaziv câmpul magnetic de pe suprafața unui material. „Magnetometria cuantică poate detecta câmpuri magnetice foarte mici”, explică Atatüre. „De aceea, este ideal pentru a mapa ordinea magnetică în antiferomagneți, o clasă specială de materiale magnetice în care magnetizarea locală aproape se anulează.”

O nouă abordare dă roade

Cercetătorii, care își raportează munca în Materiale Natura, a observat mai multe structuri magnetice neobișnuite în hematită folosind această tehnică, inclusiv monopoluri bidimensionale, dipoli și cvadrupoli. Aceasta este prima dată când un monopol bidimensional a fost observat într-un magnet natural, spun ei. Radaelli adaugă că echipa nu se aștepta să vadă prea multe, deoarece texturile de spin antiferomagnetice erau considerate evazive și doar observabile folosind tehnici complexe de raze X.

„Am trimis mostrele noastre lui Mete și colegilor din Cambridge fără să știm exact la ce să ne așteptăm”, spune el. „Îmi amintesc că am discutat despre asta și m-am gândit că nu vom vedea nimic. Când imaginile de la Cambridge au început să apară, am dezbătut diferite interpretări până când simulările cantitative au dezvăluit originea microscopică a semnalului.”

Abia în acest moment echipa a înțeles natura monopolară a structurii magnetice observate și a făcut legătura cu exemple de monopoli din literatura științifică, spune el. Lumea fizicii.

Citire și clasificare

Cât despre aplicații, membru al echipei Hariom Jani, un bursier postdoctoral la Oxford și primul autor al studiului, sugerează că monopolurile nou observate ar putea servi ca indicatori pentru alte efecte neobișnuite. „Interconexiunea dintre sarcinile magnetice, care sunt sursele/puiturile de câmpuri minuscule, și sentimentul de înfășurare al vârtejurilor antiferomagnetice este destul de utilă, deoarece deschide o cale ușoară de a citi și de a clasifica stările antiferomagnetice exotice”, spune el.

Colegul său de la Cambridge, doctorand Anthony Tan, este de acord. „Lucrarea noastră evidențiază potențialul magnetometriei cuantice cu diamante de a descoperi și investiga fenomenele magnetice ascunse în materialele cuantice, care ar putea ajuta la lansarea de noi domenii de studiu în acest domeniu”, spune el.

Scopul final al echipei, spune Radaelli, este de a construi dispozitive din lumea reală pentru calcularea de ultimă generație care să utilizeze aceste vârtejuri antiferomagnetice. „Lucrăm în paralel la două concepte separate: unul bazat pe emularea neuronilor biologici; iar celălalt pe așa-numitele piste de curse, adică „autostrăzi” nanoscopice pentru vârtej”, spune el. Construirea unor astfel de dispozitive va necesita fabricarea de contacte electrice, cabluri și traductoare la scară nanometrică, adaugă el: „Așteptăm că tehnicile de scanare cu mai multe sonde, cum ar fi magnetometria cuantică cu diamante, ne vor permite să acceleram această activitate.”

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii