V hematitu se pojavijo magnetni monopoli

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Umetnikova ilustracija magnetnih monopolov v hematitu, ki prikazuje rožnate poljske črte, ki izhajajo iz mreže delcev — Ilustracija magnetnih monopolov v hematitu. (Z dovoljenjem: Ella Maru Studio)

Fiziki na univerzah Oxford in Cambridge v Združenem kraljestvu so opazili znake magnetnih monopolov in drugih nenavadnih magnetnih struktur v hematitu, naravno prisotnem antiferomagnetnem materialu železovega oksida. Strukture, ki so jih raziskovalci odkrili z meritvami kvantnega zaznavanja, bi lahko tvorile osnovo za nove naprave, kot so spomini na dirkališčih in super hitro, energetsko učinkovito nevromorfno računalništvo.

Navadni palični magnet je sestavljen iz severnega in južnega pola. Razrežite ga na dva dela in vsaka od nastalih polovic – naj bo še tako majhna – bo imela tudi dva pola. Dejansko je bipolarna narava magnetizma tako temeljna, da se pojavlja v Maxwellovih enačbah, ki nakazujejo, da čeprav izolirani pozitivni in negativni električni naboji obstajajo, izolirani magnetni naboji ne morejo.

Med kvantno revolucijo v dvajsetih in tridesetih letih 1920. stoletja so nekateri fiziki začeli špekulirati, da bi bilo treba to načelo klasičnega elektromagnetizma morda spremeniti. Leta 1930 je Paul Dirac prvi napovedal, da bi lahko obstajali magnetni monopoli – osnovni delci, ki delujejo kot izolirani magnetni severni in južni pol in so magnetni analogi električnih nabojev. Čeprav magnetni monopoli tipa, ki ga je predvidel Dirac, nikoli niso bili obravnavani kot prosti delci, je bilo od takrat ugotovljeno, da eksotični materiali, znani kot spinski led, gostijo kolektivna stanja, ki jih posnemajo.

Vzorci vrtinčenja magnetnih nabojev

Skupina raziskovalcev pod vodstvom Mete Atatüre, vodja Cambridgeov laboratorij Cavendish, je zdaj opazil podoben "nastajajoči" tip magnetnega monopola v hematitu. Ti monopoli so kolektivna stanja številnih vrtinčastih vrtin (inherentnih kotnih momentov elektronov), ki skupaj delujejo kot lokaliziran stabilen delec z magnetnim poljem, ki izhaja iz njega. »Ti 'antiferomagnetni vrtinci' (ki se imenujejo meroni, antimeroni in bimeroni) v hematitu so povezani z 'nastajajočimi magnetnimi monopoli',« pojasnjuje sovodja ekipe Paolo Radaelli, fizik na Oxfordu. "Ti vrtinci razkrijejo svojo lokacijo in njihovo vedenje lahko preučujemo z diamantno kvantno magnetometrijo in drugimi tehnikami skeniranja."

V diamantni kvantni magnetometriji se za natančno in neinvazivno merjenje magnetnega polja na površini materiala uporablja en vrtljaj v majhni igli iz diamanta. "Kvantna magnetometrija lahko zazna zelo majhna magnetna polja," pojasnjuje Atatüre. "Zato je idealno primeren za preslikavo magnetnega reda v antiferomagnetih, posebnem razredu magnetnih materialov, v katerih se lokalna magnetizacija skoraj izniči."

Nov pristop se izplača

Raziskovalci, ki poročajo o svojem delu v Nature Materials, je s to tehniko opazil več nenavadnih magnetnih struktur v hematitu, vključno z dvodimenzionalnimi monopoli, dipoli in kvadrupoli. To je prvič, da so opazili dvodimenzionalni monopol v naravnem magnetu, pravijo. Radaelli dodaja, da ekipa ni pričakovala veliko, ker so antiferomagnetne spinske teksture veljale za izmuzljive in le opazovati s kompleksnimi rentgenskimi tehnikami.

»Naše vzorce smo poslali Meteju in kolegom v Cambridge, ne da bi natančno vedeli, kaj lahko pričakujemo,« pravi. »Spominjam se, da smo o tem razpravljali in mislili, da ne bomo videli ničesar. Ko so slike iz Cambridgea začele deževati, smo razpravljali o različnih interpretacijah, dokler kvantitativne simulacije niso razkrile mikroskopskega izvora signala.«

Šele na tej točki je ekipa razumela monopolarno naravo opazovane magnetne strukture in vzpostavila povezavo s primeri monopolov v znanstveni literaturi, pravi Svet fizike.

Odčitavanje in razvrščanje

Glede prijav, član ekipe Hariom Jani, podoktorski sodelavec na Oxfordu in prvi avtor študije, predlaga, da bi lahko na novo opazovani monopoli služili kot indikatorji za druge nenavadne učinke. "Medsebojna povezava med magnetnimi naboji, ki so viri/ponori drobnih polj, in vijugastim občutkom antiferomagnetnih vrtincev je zelo uporabna, saj odpira enostavno pot za branje in razvrščanje eksotičnih antiferomagnetnih stanj," pravi.

Magnetni monopoli, ki se skrivajo v topoloških kiralnih kristalih

Njegov cambriški kolega, doktorski študent Anthony Tan, se strinja. »Naše delo poudarja potencial diamantne kvantne magnetometrije za odkrivanje in raziskovanje skritih magnetnih pojavov v kvantnih materialih, kar bi lahko pomagalo pri pionirskih novih področjih študija na tem področju,« pravi.

Radaelli pravi, da je končni cilj ekipe izdelati naprave iz resničnega sveta za računalništvo naslednje generacije, ki uporabljajo te antiferomagnetne vrtince. »Vzporedno delamo na dveh ločenih konceptih: eden temelji na posnemanju bioloških nevronov; drugi pa na tako imenovanih dirkališčih, torej nanoskopskih 'avtocestah' za vrtince,« pravi. Konstruiranje takšnih naprav bo zahtevalo izdelavo električnih kontaktov, vodnikov in pretvornikov na nanometru, dodaja: "Predvidevamo, da nam bodo tehnike skeniranja z več sondami, kot je diamantna kvantna magnetometrija, omogočile hitro sledenje temu delu."