В гематите появляются магнитные монополи

Физики из университетов Оксфорда и Кембриджа в Великобритании обнаружили признаки магнитных монополей и других необычных магнитных структур в гематите, природном антиферромагнитном материале из оксида железа. Структуры, которые исследователи обнаружили с помощью измерений квантового зондирования, могут лечь в основу новых устройств, таких как память на гоночной трассе и сверхбыстрые, энергоэффективные нейроморфные вычисления.

Обычный стержневой магнит состоит из северного и южного полюсов. Разрежьте его пополам, и каждая из получившихся половин, какой бы маленькой она ни была, тоже будет иметь по два полюса. Действительно, биполярная природа магнетизма настолько фундаментальна, что она возникает в уравнениях Максвелла, которые подразумевают, что, хотя изолированные положительные и отрицательные электрические заряды существуют, изолированные магнитные заряды не могут.

Во время квантовой революции 1920-х и 1930-х годов некоторые физики начали предполагать, что этот принцип классического электромагнетизма, возможно, нуждается в пересмотре. В 1931 году Поль Дирак первым предсказал возможность существования магнитных монополей — элементарных частиц, которые действуют как изолированные магнитные северный и южный полюса и являются магнитными аналогами электрических зарядов. Хотя магнитные монополи того типа, который предполагал Дирак, никогда не рассматривались как свободные частицы, с тех пор было обнаружено, что экзотические материалы, известные как спиновый лед, содержат коллективные состояния, имитирующие их.

Вихревые узоры магнитных зарядов

Команда исследователей во главе с Мете Ататюре, глава Кавендишская лаборатория Кембриджа, теперь наблюдал аналогичный «возникающий» тип магнитного монополя в гематите. Эти монополи представляют собой коллективные состояния множества вращающихся спинов (собственных угловых моментов электронов), которые вместе действуют как локализованная стабильная частица с исходящим от нее магнитным полем. «Эти «антиферромагнитные вихри» (которые называются меронами, антимеронами и бимеронами) в гематите связаны с «возникающими магнитными монополями», — объясняет соруководитель группы. Паоло Радаэлли, физик из Оксфорда. «Эти вихри выдают свое местоположение, и мы можем изучить их поведение с помощью алмазной квантовой магнитометрии и других методов сканирования».

В алмазной квантовой магнитометрии одно вращение крошечной алмазной иглы используется для точного и неинвазивного измерения магнитного поля на поверхности материала. «Квантовая магнитометрия может определять очень крошечные магнитные поля», — объясняет Ататюре. «Следовательно, он идеально подходит для картирования магнитного порядка в антиферромагнетиках, особом классе магнитных материалов, в которых локальная намагниченность почти полностью компенсируется».

Новый подход окупается

Исследователи, сообщающие о своей работе в Природа материалы, используя этот метод, обнаружил в гематите несколько необычных магнитных структур, в том числе двумерные монополи, диполи и квадруполи. По их словам, это первый случай, когда двумерный монополь наблюдался в природном магните. Радаелли добавляет, что команда не ожидала увидеть многого, поскольку антиферромагнитные спиновые текстуры считались неуловимыми и только наблюдаемый с помощью сложных рентгеновских методов.

«Мы отправили наши образцы Мете и его коллегам в Кембридж, не зная точно, чего ожидать», — говорит он. «Я помню, как обсуждал это и думал, что мы ничего не увидим. Когда изображения из Кембриджа начали поступать, мы обсуждали различные интерпретации, пока количественное моделирование не выявило микроскопическое происхождение сигнала».

Только в этот момент команда поняла монополярную природу наблюдаемой магнитной структуры и установила связь с примерами монополей в научной литературе, рассказывает он. Мир физики.

Считывание и классификация

Что касается заявок, член команды Хариом Джани, научный сотрудник Оксфорда и первый автор исследования, предполагает, что недавно обнаруженные монополи могут служить индикаторами других необычных эффектов. «Взаимосвязь между магнитными зарядами, которые являются источниками/приемниками крошечных полей, и ощущением намотки антиферромагнитных вихрей весьма полезна, поскольку открывает простой путь для считывания и классификации экзотических антиферромагнитных состояний», — говорит он.

В топологических хиральных кристаллах обнаружены магнитные монополи

Его коллега из Кембриджа, аспирант Энтони Тан, согласен. «Наша работа подчеркивает потенциал алмазной квантовой магнитометрии для раскрытия и исследования скрытых магнитных явлений в квантовых материалах, что может помочь открыть новые области исследований в этой области», — говорит он.

По словам Радаелли, конечной целью команды является создание реальных устройств для вычислений следующего поколения, в которых будут использоваться эти антиферромагнитные вихри. «Мы работаем параллельно над двумя отдельными концепциями: одна основана на имитации биологических нейронов; а другой — на так называемых гоночных трассах, то есть наноскопических «шоссе» для водоворотов», — говорит он. Создание таких устройств потребует изготовления электрических контактов, выводов и преобразователей на наноуровне, добавляет он: «Мы ожидаем, что методы многозондового сканирования, такие как алмазная квантовая магнитометрия, позволят нам ускорить эту работу».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/magnetic-monopoles-appear-in-haematite/