โมโนโพลแม่เหล็กปรากฏในเฮมาไทต์ – โลกฟิสิกส์

โมโนโพลแม่เหล็กปรากฏในเฮมาไทต์ – โลกฟิสิกส์

Time Stamp: 23 กุมภาพันธ์ 2024 4:30 น.

ภาพประกอบของศิลปินเกี่ยวกับโมโนโพลแม่เหล็กในเฮมาไทต์ แสดงเส้นสนามสีชมพูที่โผล่ออกมาจากโครงตาข่ายของอนุภาค
ภาพประกอบของโมโนโพลแม่เหล็กในเฮมาไทต์ (เอื้อเฟื้อโดย: สตูดิโอ Ella Maru)

นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ดและเคมบริดจ์ในสหราชอาณาจักรได้ค้นพบลายเซ็นของโมโนโพลแม่เหล็กและโครงสร้างแม่เหล็กที่ผิดปกติอื่นๆ ในเฮมาไทต์ ซึ่งเป็นวัสดุเหล็กออกไซด์ต้านแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ โครงสร้างซึ่งนักวิจัยค้นพบโดยใช้การวัดการตรวจจับควอนตัม อาจเป็นพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์ใหม่ๆ เช่น ความทรงจำในสนามแข่ง และการคำนวณนิวโรมอร์ฟิกที่เร็วสุดและประหยัดพลังงาน

แม่เหล็กแท่งธรรมดาประกอบด้วยขั้วเหนือและขั้วใต้ หั่นเป็นสองส่วน และแต่ละซีกที่ได้ไม่ว่าจะเล็กแค่ไหนก็จะมีเสาสองอันด้วย แท้จริงแล้ว ธรรมชาติแบบไบโพลาร์ของแม่เหล็กนั้นเป็นพื้นฐานมากจนทำให้เกิดสมการของแมกซ์เวลล์ ซึ่งบอกเป็นนัยว่าถึงแม้จะมีประจุไฟฟ้าบวกและลบที่แยกออกมา แต่ประจุแม่เหล็กที่แยกออกมากลับไม่สามารถทำได้

ในระหว่างการปฏิวัติควอนตัมในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1920 และ 1930 นักฟิสิกส์บางคนเริ่มคาดเดาว่าหลักการของแม่เหล็กไฟฟ้าแบบคลาสสิกนี้อาจจำเป็นต้องได้รับการแก้ไข ในปีพ.ศ. 1931 Paul Dirac เป็นคนแรกที่ทำนายว่าโมโนโพลแม่เหล็กซึ่งเป็นอนุภาคมูลฐานที่ทำหน้าที่เป็นขั้วแม่เหล็กเหนือและขั้วใต้ที่แยกออกจากกัน และเป็นอะนาล็อกแม่เหล็กของประจุไฟฟ้า อาจมีอยู่จริง แม้ว่าขั้วแม่เหล็กชนิดโมโนโพลประเภทที่ Dirac จินตนาการไว้ไม่เคยถูกมองว่าเป็นอนุภาคอิสระ แต่ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาวัสดุแปลกใหม่ที่เรียกว่าน้ำแข็งหมุนก็พบว่าเป็นแหล่งรวมรัฐที่เลียนแบบพวกมัน

รูปแบบการหมุนวนของประจุแม่เหล็ก

ทีมนักวิจัยนำโดย เมต อตาตูเร, หัวของ ห้องทดลองคาเวนดิชของเคมบริดจ์ขณะนี้ได้สังเกตเห็นโมโนโพลแม่เหล็กประเภท "ฉุกเฉิน" ที่คล้ายกันในเฮมาไทต์ โมโนโพลเหล่านี้เป็นสถานะรวมของการหมุนวนหลายรอบ (โมเมนตาเชิงมุมของอิเล็กตรอนโดยธรรมชาติ) ซึ่งเมื่อรวมกันแล้วจะทำหน้าที่เหมือนอนุภาคเสถียรที่มีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นโดยมีสนามแม่เหล็กเล็ดลอดออกมาจากมัน 'กระแสแอนติเฟอร์โรแมกเนติก' เหล่านี้ (ซึ่งเรียกว่าเมรอน แอนติเมอรอน และไบเมรอน) ในฮีมาไทต์มีความเกี่ยวข้องกับ 'โมโนโพลแม่เหล็กที่เกิดขึ้นใหม่'” หัวหน้าร่วมของทีมอธิบาย เปาโล ราดาเอลลี, นักฟิสิกส์จากอ็อกซ์ฟอร์ด “การหมุนวนเหล่านี้ทำให้ทราบตำแหน่งของพวกมัน และเราสามารถศึกษาพฤติกรรมของพวกมันด้วยสนามแม่เหล็กควอนตัมเพชรและเทคนิคการสแกนอื่นๆ ได้”

ในการวัดสนามแม่เหล็กควอนตัมของเพชร การหมุนเข็มเล็กๆ ที่ทำจากเพชรเพียงครั้งเดียวจะใช้ในการวัดสนามแม่เหล็กบนพื้นผิวของวัสดุอย่างแม่นยำและไม่รุกราน “สนามแม่เหล็กควอนตัมสามารถตรวจจับสนามแม่เหล็กขนาดเล็กมากได้” Atatüre อธิบาย ดังนั้นจึงเหมาะอย่างยิ่งที่จะทำแผนผังลำดับแม่เหล็กในสารต้านเฟอร์โรแมกเนติก ซึ่งเป็นวัสดุแม่เหล็กประเภทพิเศษที่การดึงดูดแม่เหล็กในท้องถิ่นเกือบจะตัดทอนออกไป”

แนวทางใหม่ให้ผลตอบแทนที่คุ้มค่า

นักวิจัยที่รายงานผลงานของพวกเขาใน วัสดุธรรมชาติพบโครงสร้างแม่เหล็กที่ผิดปกติหลายอย่างในเฮมาไทต์โดยใช้เทคนิคนี้ รวมถึงโมโนโพลสองมิติ ไดโพล และสี่โพล นี่เป็นครั้งแรกที่มีการสังเกตโมโนโพลสองมิติในแม่เหล็กที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ Radaelli เสริมว่าทีมงานไม่ได้คาดหวังที่จะเห็นอะไรมากนัก เนื่องจากพื้นผิวการหมุนแบบแอนติเฟอร์โรแมกเนติกถือว่ายากและเพียงเท่านั้น สังเกตได้โดยใช้เทคนิคเอ็กซ์เรย์ที่ซับซ้อน.

“เราส่งตัวอย่างไปให้ Mete และเพื่อนร่วมงานในเคมบริดจ์โดยไม่รู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้น” เขากล่าว “ฉันจำได้ว่าคุยกันเรื่องนี้และคิดว่าเราจะไม่เห็นอะไรเลย เมื่อภาพจากเคมบริดจ์เริ่มหลั่งไหลเข้ามา เราก็ถกเถียงกันถึงการตีความที่แตกต่างกัน จนกระทั่งการจำลองเชิงปริมาณเผยให้เห็นถึงต้นกำเนิดของสัญญาณในระดับจุลภาค”

เมื่อถึงจุดนี้เองที่ทีมงานเข้าใจธรรมชาติของขั้วแม่เหล็กของโครงสร้างแม่เหล็กที่สังเกตได้ และเชื่อมโยงกับตัวอย่างของขั้วเดียวในวรรณคดีทางวิทยาศาสตร์ เขากล่าว โลกฟิสิกส์.

การอ่านและการจำแนกประเภท

ในส่วนของการสมัครสมาชิกในทีม หริยม เจนีนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่อ็อกซ์ฟอร์ดและเป็นผู้เขียนงานวิจัยคนแรก แนะนำว่าโมโนโพลที่เพิ่งสังเกตพบสามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้ถึงผลกระทบที่ผิดปกติอื่นๆ ได้ “การเชื่อมต่อระหว่างประจุแม่เหล็กซึ่งเป็นแหล่งกำเนิด/แหล่งกักเก็บสนามแม่เหล็กเล็กๆ กับความรู้สึกที่คดเคี้ยวของกระแสแอนตีเฟอโรแมกเนติก ค่อนข้างมีประโยชน์เพราะมันเป็นการเปิดเส้นทางที่ง่ายในการอ่านและจำแนกสถานะแอนตีเฟอโรแมกเนติกที่แปลกใหม่” เขากล่าว

เพื่อนร่วมงานของเขาในเคมบริดจ์ นักศึกษาปริญญาเอก แอนโธนีตันเห็นด้วย "งานของเราเน้นย้ำถึงศักยภาพของสนามแม่เหล็กควอนตัมเพชรในการค้นพบและตรวจสอบปรากฏการณ์แม่เหล็กที่ซ่อนอยู่ในวัสดุควอนตัม ซึ่งสามารถช่วยบุกเบิกสาขาวิชาใหม่ ๆ ในด้านนี้ได้" เขากล่าว

Radaelli กล่าวว่าเป้าหมายสูงสุดของทีมคือการสร้างอุปกรณ์ในโลกแห่งความเป็นจริงสำหรับคอมพิวเตอร์ยุคหน้าซึ่งใช้ประโยชน์จากการหมุนวนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเหล่านี้ “เรากำลังทำงานคู่ขนานกันในสองแนวคิดที่แยกจากกัน: แนวคิดหนึ่งมีพื้นฐานมาจากการจำลองเซลล์ประสาททางชีววิทยา; และอีกแห่งหนึ่งบนสนามแข่งที่เรียกว่า 'ทางหลวง' ระดับนาโนสโคปสำหรับการหมุนวน” เขากล่าว การสร้างอุปกรณ์ดังกล่าวจะต้องใช้หน้าสัมผัสทางไฟฟ้า ลีด และทรานสดิวเซอร์ที่ถูกสร้างขึ้นในระดับนาโน เขากล่าวเสริมว่า "เราคาดว่าเทคนิคการสแกนแบบหลายโพรบ เช่น แมกนีโทมิเตอร์ควอนตัมเพชร จะช่วยให้เราสามารถติดตามงานนี้ได้อย่างรวดเร็ว"

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์