Magnetiska monopoler förekommer i hematit – Physics World

Magnetiska monopoler förekommer i hematit – Physics World

Tidsstämpel: 23 februari 2024 4:30

Konstnärs illustration av magnetiska monopoler i hematit, som visar rosa fältlinjer som kommer fram från ett gitter av partiklar
En illustration av magnetiska monopoler i hematit. (Med tillstånd: Ella Maru Studio)

Fysiker vid universiteten i Oxford och Cambridge i Storbritannien har upptäckt signaturer av magnetiska monopoler och andra ovanliga magnetiska strukturer i hematit, ett naturligt förekommande antiferromagnetiskt järnoxidmaterial. Strukturerna, som forskarna upptäckte med hjälp av kvantavkänningsmätningar, kan utgöra grunden för nya enheter som racerbanminnen och supersnabba, energieffektiva neuromorfiska beräkningar.

En vanlig stångmagnet består av en nord- och en sydpol. Skiva den i två, och var och en av de resulterande halvorna - oavsett hur liten - kommer också att ha två poler. Faktum är att magnetismens bipolära natur är så grundläggande att den dyker upp i Maxwells ekvationer, vilket antyder att även om isolerade positiva och negativa elektriska laddningar existerar, kan isolerade magnetiska laddningar inte det.

Under kvantrevolutionen på 1920- och 1930-talen började vissa fysiker spekulera i att denna princip om klassisk elektromagnetism kan behöva revideras. 1931 blev Paul Dirac den första att förutspå att magnetiska monopoler – elementarpartiklar som fungerar som isolerade magnetiska nord- och sydpoler och är de magnetiska analogerna till elektriska laddningar – kunde existera. Även om magnetiska monopoler av den typ Dirac förutsåg aldrig har setts som fria partiklar, har exotiska material som kallas spin ices sedan dess visat sig vara värda för kollektiva tillstånd som härmar dem.

Virvlande mönster av magnetiska laddningar

Ett team av forskare under ledning av Mete Atatüre, huvudet av Cambridges Cavendish Laboratory, har nu observerat en liknande "emergent" typ av magnetisk monopol i hematit. Dessa monopoler är kollektiva tillstånd av många virvlande spinn (inneboende vinkelmoment för elektroner) som tillsammans fungerar som en lokaliserad stabil partikel med ett magnetfält som emanerar från den. "Dessa 'antiferromagnetiska virvlar' (som kallas meroner, antimeroner och bimeroner) i hematit är förknippade med 'emergenta magnetiska monopoler'", förklarar teamets medledare Paolo Radaelli, fysiker vid Oxford. "Dessa virvlar ger bort sin plats och vi kan studera deras beteende med diamantkvantmagnetometri och andra skanningstekniker."

Inom diamantkvantmagnetometri används ett enda snurr i en liten nål gjord av diamant för att exakt och icke-invasivt mäta magnetfältet på ytan av ett material. "Kvantmagnetometri kan känna av mycket små magnetiska fält", förklarar Atatüre. "Därför är den idealisk för att kartlägga den magnetiska ordningen i antiferromagneter, en speciell klass av magnetiska material där den lokala magnetiseringen nästan upphäver."

Ett nytt tillvägagångssätt lönar sig

Forskarna, som rapporterar sitt arbete i Naturmaterial, upptäckte flera ovanliga magnetiska strukturer i hematit med denna teknik, inklusive tvådimensionella monopoler, dipoler och kvadrupoler. Det är första gången en tvådimensionell monopol har observerats i en naturligt förekommande magnet, säger de. Radaelli tillägger att laget inte förväntade sig att se mycket eftersom antiferromagnetiska spinntexturer ansågs svårfångade och endast observerbar med hjälp av komplexa röntgentekniker.

"Vi skickade våra prover till Mete och kollegor i Cambridge utan att veta exakt vad vi kunde förvänta oss", säger han. "Jag minns att jag diskuterade det här och tänkte att vi inte skulle se något. När bilderna från Cambridge började strömma in diskuterade vi olika tolkningar tills kvantitativa simuleringar avslöjade signalens mikroskopiska ursprung.”

Det var först vid denna tidpunkt som teamet förstod den monopolära naturen hos den observerade magnetiska strukturen och gjorde kopplingen till exempel på monopoler i den vetenskapliga litteraturen, berättar han Fysikvärlden.

Avläsning och klassificering

När det gäller ansökningar, teammedlem Hariom Jani, en postdoktor vid Oxford och den första författaren till studien, föreslår att de nyligen observerade monopolerna skulle kunna fungera som indikatorer för andra ovanliga effekter. "Sammankopplingen mellan de magnetiska laddningarna, som är källorna/sänkorna för små fält, och den slingrande känslan av de antiferromagnetiska virvlarna är ganska användbar eftersom det öppnar upp en enkel väg att läsa ut och klassificera exotiska antiferromagnetiska tillstånd", säger han.

Hans Cambridge-kollega, doktorand Anthony Tan, håller med. "Vårt arbete belyser potentialen hos diamantkvantmagnetometri för att avslöja och undersöka dolda magnetiska fenomen i kvantmaterial, vilket kan hjälpa banbrytande nya forskningsområden inom detta område", säger han.

Teamets slutmål, säger Radaelli, är att konstruera verkliga enheter för nästa generations datorer som använder sig av dessa antiferromagnetiska virvlar. ”Vi arbetar parallellt med två separata koncept: ett baserat på att emulera biologiska neuroner; och den andra på så kallade racerbanor, det vill säga nanoskopiska 'motorvägar' för virvlarna”, säger han. Att konstruera sådana enheter kommer att kräva att elektriska kontakter, ledningar och omvandlare tillverkas i nanoskala, tillägger han: "Vi förväntar oss att flersondsskanningstekniker, såsom diamantkvantmagnetometri, kommer att göra det möjligt för oss att snabba upp detta arbete."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden