Магнітні монополі з’являються в гематиті – Physics World

Фізики з Оксфордського та Кембриджського університетів у Великій Британії помітили ознаки магнітних монополів та інших незвичайних магнітних структур у гематиті, природному антиферомагнітному матеріалі оксиду заліза. Структури, які дослідники виявили за допомогою вимірювань квантового зондування, можуть стати основою для нових пристроїв, таких як пам’ять іподрому та надшвидкісні, енергоефективні нейроморфні обчислення.

Звичайний стрижковий магніт складається з північного і південного полюсів. Розріжте його на дві частини, і кожна з отриманих половинок – незалежно від того, наскільки вона маленька – також матиме два полюси. Дійсно, біполярна природа магнетизму настільки фундаментальна, що вона виникає в рівняннях Максвелла, які означають, що хоча ізольовані позитивні та негативні електричні заряди існують, ізольовані магнітні заряди не можуть.

Під час квантової революції 1920-1930-х років деякі фізики почали припускати, що цей принцип класичного електромагнетизму, можливо, потребує перегляду. У 1931 році Поль Дірак став першим, хто передбачив можливість існування магнітних монополів – елементарних частинок, які діють як ізольовані північний і південний магнітні полюси і є магнітними аналогами електричних зарядів. Хоча магнітні монополі типу, передбаченого Діраком, ніколи не розглядалися як вільні частинки, з тих пір було виявлено, що екзотичні матеріали, відомі як спінові льоди, містять колективні стани, які їх імітують.

Закручені моделі магнітних зарядів

Команда дослідників на чолі з Мете Ататюре, голова с Кавендішська лабораторія Кембриджа, зараз спостерігав подібний «виникаючий» тип магнітного монополя в гематиті. Ці монополі є сукупними станами багатьох закручених спінів (власних кутових моментів електронів), які разом діють як локалізована стабільна частинка з магнітним полем, що виходить від неї. «Ці «антиферомагнітні вихори» (які називаються меронами, антимеронами та бімеронами) у гематиті пов’язані з «виникаючими магнітними монополями», — пояснює один із керівників групи. Паоло Радаеллі, фізик в Оксфорді. «Ці вихори видають їх місцезнаходження, і ми можемо вивчити їх поведінку за допомогою алмазної квантової магнітометрії та інших методів сканування».

У алмазній квантовій магнітометрії одне обертання крихітної голки з алмазу використовується для точного й неінвазивного вимірювання магнітного поля на поверхні матеріалу. «Квантова магнітометрія може відчувати дуже крихітні магнітні поля», — пояснює Ататюре. «Отже, він ідеально підходить для картографування магнітного порядку в антиферомагнетиках, спеціальному класі магнітних матеріалів, у яких локальна намагніченість майже нівелюється».

Новий підхід окупається

Дослідники, які звітують про свою роботу в Матеріали природи, виявив кілька незвичайних магнітних структур у гематиті за допомогою цієї техніки, включаючи двовимірні монополі, диполі та квадруполі. Вони кажуть, що це перший раз, коли двовимірний монополь спостерігався в природному магніті. Радаеллі додає, що команда не очікувала побачити багато чого, оскільки антиферомагнітні спінові текстури вважалися невловимими і лише можна спостерігати за допомогою складних рентгенівських методів.

«Ми надіслали наші зразки Мете та його колегам у Кембридж, не знаючи, чого саме очікувати», — каже він. «Я пам’ятаю, як обговорювали це питання і думали, що ми нічого не побачимо. Коли почали надходити зображення з Кембриджа, ми обговорювали різні інтерпретації, поки кількісне моделювання не виявило мікроскопічне походження сигналу».

Лише в цей момент команда зрозуміла монополярну природу спостережуваної магнітної структури та встановила зв’язок із прикладами монополів у науковій літературі, розповідає він. Світ фізики.

Зчитування та класифікація

Що стосується додатків, член команди Харіом Джані, постдокторант в Оксфорді та перший автор дослідження, припускає, що нещодавно спостережені монополі можуть служити індикаторами інших незвичайних ефектів. «Взаємозв’язок між магнітними зарядами, які є джерелами/поглиначами крихітних полів, і звивистим відчуттям антиферомагнітних вихорів є досить корисним, оскільки відкриває легкий шлях для зчитування та класифікації екзотичних антиферомагнітних станів», — каже він.

Магнітні монополі, виявлені в топологічних хіральних кристалах

Його колега по Кембриджу, докторант Ентоні Тан, погоджується. «Наша робота підкреслює потенціал алмазної квантової магнітометрії для виявлення та дослідження прихованих магнітних явищ у квантових матеріалах, що може допомогти відкрити нові галузі досліджень у цій галузі», — говорить він.

Кінцева мета команди, за словами Радаеллі, полягає в створенні реальних пристроїв для обчислень наступного покоління, які використовують ці антиферомагнітні вихори. «Ми працюємо паралельно над двома окремими концепціями: одна заснована на емуляції біологічних нейронів; а іншу — на так званих іподромах, тобто наноскопічних «шосе» для обертів», — каже він. Створення таких пристроїв вимагатиме виготовлення електричних контактів, проводів і перетворювачів на нанорозмірі, додає він: «Ми очікуємо, що методи багатозондового сканування, такі як алмазна квантова магнітометрія, дозволять нам прискорити цю роботу».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/magnetic-monopoles-appear-in-haematite/