Đơn cực từ xuất hiện trong hematit – Vật Lý Thế Giới

Đơn cực từ xuất hiện trong hematit – Vật Lý Thế Giới

Dấu thời gian: ngày 23 tháng 2024 năm 4 30:XNUMX sáng

Hình minh họa của nghệ sĩ về các đơn cực từ trong haematit, cho thấy các đường sức màu hồng nổi lên từ một mạng hạt
Một minh họa về đơn cực từ trong hematit. (Được phép: Studio Ella Maru)

Các nhà vật lý tại trường đại học Oxford và Cambridge ở Anh đã phát hiện ra dấu hiệu của các đơn cực từ và các cấu trúc từ tính bất thường khác trong hematite, một vật liệu oxit sắt phản sắt từ xuất hiện tự nhiên. Các cấu trúc mà các nhà nghiên cứu phát hiện ra bằng cách sử dụng các phép đo cảm biến lượng tử, có thể tạo cơ sở cho các thiết bị mới như bộ nhớ đường đua và điện toán hình thái thần kinh siêu nhanh, tiết kiệm năng lượng.

Một thanh nam châm thông thường bao gồm một cực bắc và một cực nam. Cắt nó làm hai và mỗi nửa thu được - dù nhỏ đến đâu - cũng sẽ có hai cực. Thật vậy, bản chất lưỡng cực của từ tính cơ bản đến mức nó xuất hiện trong các phương trình Maxwell, ngụ ý rằng mặc dù các điện tích âm và dương cách ly tồn tại nhưng các điện tích từ tính cách ly không thể tồn tại.

Trong cuộc cách mạng lượng tử những năm 1920 và 1930, một số nhà vật lý bắt đầu suy đoán rằng nguyên lý điện từ cổ điển này có thể cần phải sửa đổi. Năm 1931, Paul Dirac trở thành người đầu tiên tiên đoán rằng các đơn cực từ – các hạt cơ bản đóng vai trò như các cực bắc và nam từ tách biệt và là những từ tương tự của điện tích – có thể tồn tại. Mặc dù các đơn cực từ thuộc loại mà Dirac dự tính chưa bao giờ được coi là các hạt tự do, nhưng những vật liệu kỳ lạ gọi là băng spin đã được phát hiện là chứa các trạng thái tập thể bắt chước chúng.

Các dạng chuyển động xoáy của điện tích từ

Một nhóm các nhà nghiên cứu do Mete Atatüre, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge, hiện đã quan sát thấy một loại đơn cực từ “xuất hiện” tương tự trong haematit. Các đơn cực này là trạng thái tập thể của nhiều spin xoáy (momen góc vốn có của các electron), cùng nhau hoạt động giống như một hạt ổn định cục bộ với từ trường phát ra từ nó. “Những 'xoáy phản sắt từ' này (được gọi là meron, phản thờiron và bimeron) trong haematite có liên quan đến 'đơn cực từ mới nổi'," đồng lãnh đạo nhóm giải thích Paolo Radaelli, một nhà vật lý tại Oxford. “Những vòng xoáy này tiết lộ vị trí của chúng và chúng tôi có thể nghiên cứu hành vi của chúng bằng từ kế lượng tử kim cương và các kỹ thuật quét khác.”

Trong từ kế lượng tử kim cương, một vòng quay duy nhất trong một chiếc kim nhỏ làm bằng kim cương được sử dụng để đo từ trường một cách chính xác và không xâm lấn trên bề mặt vật liệu. Atatüre giải thích: “Từ kế lượng tử có thể cảm nhận được từ trường rất nhỏ. “Do đó, nó rất phù hợp để lập bản đồ trật tự từ tính trong các chất phản sắt từ, một loại vật liệu từ tính đặc biệt trong đó từ hóa cục bộ gần như bị triệt tiêu.”

Một cách tiếp cận mới mang lại kết quả

Các nhà nghiên cứu, những người báo cáo công việc của họ trong Vật liệu tự nhiên, đã phát hiện ra một số cấu trúc từ tính bất thường trong hematit bằng kỹ thuật này, bao gồm các đơn cực, lưỡng cực và tứ cực hai chiều. Họ nói rằng đây là lần đầu tiên một đơn cực hai chiều được quan sát thấy trong một nam châm xuất hiện tự nhiên. Radaelli cho biết thêm rằng đội nghiên cứu không mong đợi nhìn thấy nhiều vì kết cấu spin phản sắt từ được coi là khó nắm bắt và chỉ có thể quan sát được bằng các kỹ thuật tia X phức tạp.

Ông nói: “Chúng tôi đã gửi mẫu của mình cho Mete và các đồng nghiệp ở Cambridge mà không biết chính xác điều gì sẽ xảy ra. “Tôi nhớ đã thảo luận về vấn đề này và nghĩ rằng chúng ta sẽ không thấy gì cả. Khi những hình ảnh từ Cambridge bắt đầu đổ về, chúng tôi đã tranh luận về những cách giải thích khác nhau cho đến khi các mô phỏng định lượng tiết lộ nguồn gốc vi mô của tín hiệu.”

Ông cho biết, chỉ đến thời điểm này, đội nghiên cứu mới hiểu được bản chất đơn cực của cấu trúc từ tính quan sát được và tạo ra mối liên hệ với các ví dụ về đơn cực trong tài liệu khoa học. Thế giới vật lý.

Đọc và phân loại

Về phần ứng tuyển, thành viên nhóm Hariom Jani, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Oxford và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho rằng các đơn cực mới được quan sát có thể đóng vai trò là dấu hiệu cho những hiệu ứng bất thường khác. “Mối liên kết giữa các điện tích từ, vốn là nguồn/điểm chìm của các trường nhỏ, và cảm giác cuộn dây của các xoáy phản sắt từ khá hữu ích vì nó mở ra một con đường dễ dàng để đọc và phân loại các trạng thái phản sắt từ kỳ lạ,” ông nói.

Đồng nghiệp ở Cambridge của ông, nghiên cứu sinh tiến sĩ Anthony Tân, đồng ý. “Công trình của chúng tôi nêu bật tiềm năng của từ kế lượng tử kim cương trong việc khám phá và nghiên cứu các hiện tượng từ tính tiềm ẩn trong vật liệu lượng tử, điều này có thể giúp tiên phong trong các lĩnh vực nghiên cứu mới trong lĩnh vực này,” ông nói.

Radaelli cho biết, mục tiêu cuối cùng của nhóm là chế tạo các thiết bị trong thế giới thực cho điện toán thế hệ tiếp theo sử dụng các xoáy phản sắt từ này. “Chúng tôi đang làm việc song song trên hai khái niệm riêng biệt: một khái niệm dựa trên mô phỏng tế bào thần kinh sinh học; và cái còn lại được gọi là đường đua, tức là những 'đường cao tốc' cực nhỏ dành cho những người quay cuồng,” ông nói. Ông cho biết thêm, việc chế tạo những thiết bị như vậy sẽ yêu cầu chế tạo các tiếp điểm điện, dây dẫn và bộ chuyển đổi ở cấp độ nano: “Chúng tôi dự đoán rằng các kỹ thuật quét đa đầu dò, chẳng hạn như từ kế lượng tử kim cương, sẽ cho phép chúng tôi đẩy nhanh công việc này”.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý