Hematitte manyetik tek kutuplar ortaya çıkıyor – Fizik Dünyası

Hematitte manyetik tek kutuplar ortaya çıkıyor – Fizik Dünyası

Zaman Damgası: 23 Şubat 2024 4:30

Sanatçının hematitteki manyetik monopolleri gösteren çizimi, parçacıklardan oluşan bir kafesten çıkan pembe alan çizgilerini gösteriyor
Hematitteki manyetik monopollerin bir örneği. (Nezaket: Ella Maru Stüdyosu)

Birleşik Krallık'taki Oxford ve Cambridge üniversitelerindeki fizikçiler, doğal olarak oluşan bir antiferromanyetik demir oksit malzemesi olan hematitte manyetik monopollerin ve diğer olağandışı manyetik yapıların izlerini tespit ettiler. Araştırmacıların kuantum algılama ölçümleri kullanarak keşfettiği yapılar, yarış pisti hafızaları ve süper hızlı, enerji tasarruflu nöromorfik hesaplama gibi yeni cihazların temelini oluşturabilir.

Sıradan bir çubuk mıknatıs, bir kuzey ve bir güney kutbundan oluşur. Onu ikiye böldüğünüzde, ortaya çıkan yarıların her birinin (ne kadar küçük olursa olsun) iki kutbu olacaktır. Gerçekten de manyetizmanın iki kutuplu doğası o kadar temeldir ki Maxwell denklemlerinde ortaya çıkar; bu da izole edilmiş pozitif ve negatif elektrik yüklerinin mevcut olmasına rağmen izole edilmiş manyetik yüklerin var olamayacağını ima eder.

1920'li ve 1930'lu yıllardaki kuantum devrimi sırasında bazı fizikçiler, klasik elektromanyetizma ilkesinin revize edilmesi gerekebileceği yönünde spekülasyon yapmaya başladılar. 1931'de Paul Dirac, manyetik tek kutupların (yalıtılmış manyetik kuzey ve güney kutupları olarak hareket eden ve elektrik yüklerinin manyetik analogları olan temel parçacıklar) var olabileceğini öngören ilk kişi oldu. Her ne kadar Dirac'ın öngördüğü türden manyetik monopoller hiçbir zaman serbest parçacıklar olarak görülmese de, spin buzları olarak bilinen egzotik malzemelerin onları taklit eden kolektif durumlara ev sahipliği yaptığı keşfedildi.

Manyetik yüklerin dönen desenleri

liderliğindeki bir araştırma ekibi Mete Atatürk, başkanı Cambridge Cavendish Laboratuvarı, hematitte benzer bir "ortaya çıkan" tipte manyetik tek kutup gözlemledi. Bu tek kutuplar, birçok dönen dönüşün (elektronların doğal açısal momentumları) kolektif durumlarıdır ve birlikte, kendisinden yayılan bir manyetik alan ile lokalize, kararlı bir parçacık gibi davranırlar. Ekibin eş-lideri, "Hematitteki bu 'antiferromanyetik girdaplar' (meronlar, antimeronlar ve bimeronlar olarak adlandırılır), 'ortaya çıkan manyetik tek kutuplar' ile ilişkilidir" diye açıklıyor. Paolo RadaelliOxford'da bir fizikçi. "Bu girdaplar konumlarını açığa çıkarıyor ve biz onların davranışlarını elmas kuantum manyetometrisi ve diğer tarama teknikleriyle inceleyebiliyoruz."

Elmas kuantum manyetometrisinde, elmastan yapılmış küçük bir iğnenin tek bir dönüşü, bir malzemenin yüzeyindeki manyetik alanı hassas ve müdahalesiz bir şekilde ölçmek için kullanılır. Atatüre, "Kuantum manyetometrisi çok küçük manyetik alanları algılayabiliyor" diye açıklıyor. "Dolayısıyla, yerel mıknatıslanmanın neredeyse sıfırlandığı özel bir manyetik malzeme sınıfı olan antiferromıknatıslardaki manyetik düzeni haritalamak idealdir."

Yeni bir yaklaşım işe yarıyor

Çalışmalarını rapor eden araştırmacılar Doğa Malzemeleri, bu tekniği kullanarak hematitte iki boyutlu monopoller, dipoller ve dört kutuplular dahil olmak üzere birçok olağandışı manyetik yapı tespit etti. Bunun, doğal olarak oluşan bir mıknatısta ilk kez iki boyutlu bir tek kutup gözlemlendiğini söylüyorlar. Radaelli, antiferromanyetik dönüş dokularının elde edilmesi zor ve yalnızca karmaşık X-ışını teknikleri kullanılarak gözlemlenebilir.

"Örneklerimizi Cambridge'deki Mete ve meslektaşlarımıza tam olarak ne bekleyeceğimizi bilmeden gönderdik" diyor. “Bunu tartıştığımızı ve hiçbir şey göremeyeceğimizi düşündüğümü hatırlıyorum. Cambridge'den görüntüler yağmaya başladığında, niceliksel simülasyonlar sinyalin mikroskobik kökenini ortaya çıkarana kadar farklı yorumları tartıştık."

Ekibin ancak bu noktada gözlemlenen manyetik yapının tek kutuplu doğasını anladığını ve bilimsel literatürdeki tek kutup örnekleriyle bağlantı kurduğunu söylüyor. Fizik dünyası.

Okuma ve sınıflandırma

Başvurulara gelince, ekip üyesi Hariom JaniOxford'da doktora sonrası araştırmacı ve çalışmanın ilk yazarı, yeni gözlemlenen tek kutupların diğer olağandışı etkilerin göstergesi olarak hizmet edebileceğini öne sürüyor. "Küçük alanların kaynakları/yuvaları olan manyetik yükler ile antiferromanyetik girdapların sarma duyusu arasındaki bağlantı oldukça faydalıdır çünkü egzotik antiferromanyetik durumları okumak ve sınıflandırmak için kolay bir yol açar" diyor.

Cambridge'deki meslektaşı, doktora öğrencisi Anthony Tan, katılıyorum. "Çalışmamız, elmas kuantum manyetometrisinin kuantum malzemelerdeki gizli manyetik olayları ortaya çıkarma ve araştırma potansiyelini vurguluyor ve bu, bu alanda yeni çalışma alanlarına öncülük etmeye yardımcı olabilir" diyor.

Radaelli, ekibin nihai hedefinin, bu antiferromanyetik girdaplardan yararlanan yeni nesil bilgi işlem için gerçek dünya cihazları inşa etmek olduğunu söylüyor. “İki ayrı konsept üzerinde paralel olarak çalışıyoruz: Biri biyolojik nöronları taklit etmeye dayalı; diğeri ise yarış pistleri olarak adlandırılan, yani girdaplar için nanoskobik 'otoyollar' üzerinde” diyor. Bu tür cihazların inşası için nano ölçekte üretilecek elektrik kontakları, kablolar ve dönüştürücüler gerekecek, diye ekliyor: "Elmas kuantum manyetometrisi gibi çok problu tarama tekniklerinin bu çalışmayı hızlı bir şekilde takip etmemizi sağlayacağını öngörüyoruz."

Zaman Damgası:

Den fazla Fizik dünyası