Алмазы и ржавчина переписывают учебники по физике

Кембриджские исследователи обнаружили магнитные монополи в гематите, что открывает новые возможности для передовых, экологически чистых вычислительных технологий. Это первое наблюдение за появлением монополей в природном магните может открыть новые пути в исследовании квантовых материалов.

Исследователи обнаружили магнитные монополи – изолированные магнитные заряды – в материале, тесно связанном с ржавчиной, и этот результат может быть использован для создания более экологичных и быстрых вычислительных технологий.

Исследователи под руководством Кембриджского университета использовали технику, известную как алмазное квантовое зондирование, чтобы наблюдать вихревые текстуры и слабые магнитные сигналы на поверхности гематита, разновидности оксида железа.

Исследователи заметили, что магнитные монополи в гематите возникают благодаря коллективному поведению многих спинов (угловой момент частицы). Эти монополи скользят по вихревым текстурам на поверхности гематита, подобно крошечным хоккейным шайбам с магнитным зарядом. Это первый случай, когда возникающие в природе монополи наблюдаются экспериментально.

Исследование также показало прямую связь между ранее скрытыми вихревыми текстурами и магнитными зарядами таких материалов, как гематит, как будто существует секретный код, связывающий их вместе. О результатах, которые могут оказаться полезными для создания логики и памяти нового поколения, сообщается сегодня (5 декабря) в журнале Nature Materials.

Историческая перспектива магнитных монополей

Согласно уравнениям Джеймса Клерка Максвелла, гиганта кембриджской физики, магнитные объекты, будь то магнит на холодильнике или сама Земля, всегда должны существовать в виде пары магнитных полюсов, которые невозможно изолировать друг от друга.

“Магниты, которые мы используем каждый день, имеют два полюса: северный и южный”, – говорит профессор Мете Ататюре, возглавлявший исследование. “В XIX веке была выдвинута гипотеза о существовании монополей. Но в одном из своих основополагающих уравнений для изучения электромагнетизма Джеймс Клерк Максвелл с этим не согласился”, Реабилитация.

Ататюре возглавляет Кавендишскую лабораторию в Кембридже – должность, которую когда-то занимал сам Максвелл. “Если бы монополи действительно существовали и мы смогли бы их выделить, это было бы похоже на поиск недостающего кусочка головоломки, который считался потерянным”, – говорит он.

Стратегия возникновения и совместные исследования
Около 15 лет назад ученые предположили, как монополя могут существовать в магнитном материале. Этот теоретический результат основывался на экстремальном разделении северного и южного полюсов таким образом, что локально каждый полюс оказывался изолированным в экзотическом материале, называемом спиновым льдом.

Однако существует альтернативная стратегия поиска монополей, включающая концепцию эмерджентности. Идея эмерджентности заключается в том, что сочетание многих физических сущностей может привести к появлению свойств, которые либо больше, либо отличаются от суммы их частей.

Работая с коллегами из Оксфордского университета и Национального университета Сингапура, кембриджские исследователи использовали эмерджентность для обнаружения монополей, распределенных в двумерном пространстве, скользящих по вихревым текстурам на поверхности магнитного материала.

Вихревые топологические текстуры встречаются в двух основных типах материалов: ферромагнетиках и антиферромагнетиках. Антиферромагниты более стабильны, чем ферромагниты, но их сложнее изучать, поскольку они не обладают сильным магнитным сигналом.

Антиферромагниты и алмазная квантовая магнитометрия
Для изучения поведения антиферромагнитов Ататюре и его коллеги используют метод визуализации, известный как алмазная квантовая магнитометрия. Эта техника использует один спин – присущий электрону угловой момент – в алмазной игле для точного измерения магнитного поля на поверхности материала, не влияя на его поведение.

В данном исследовании ученые использовали этот метод для изучения гематита, антиферромагнитного материала из оксида железа. К своему удивлению, они обнаружили в гематите скрытые схемы магнитных зарядов, включая монополи, диполи и квадруполи.

“Монополи были предсказаны теоретически, но мы впервые наблюдаем двумерные монополи в магнитах естественного происхождения”, – говорит соавтор работы профессор Паоло Радаэлли из Оксфордского университета.

“Эти монополи представляют собой коллективное состояние многих спинов, которые вращаются вокруг сингулярности, а не одной неподвижной частицы, поэтому они возникают благодаря взаимодействию многих тел. В результате получается крошечная, локализованная стабильная частица с расходящимся магнитным полем, выходящим из нее”, – говорит соавтор работы доктор Хариом Джани из Оксфордского университета.

“Мы показали, как алмазная квантовая магнитометрия может быть использована для разгадки загадочного поведения магнетизма в двумерных квантовых материалах, что может открыть новые области исследований в этой сфере”, – говорит соавтор работы доктор Энтони Тан из Кавендишской лаборатории. “Сложность всегда заключалась в прямой визуализации этих текстур в антиферромагнетиках из-за их более слабого магнитного притяжения, но теперь мы можем это сделать, используя хорошее сочетание алмазов и ржавчины”.

Исследование не только подчеркивает потенциал алмазной квантовой магнитометрии, но и демонстрирует ее возможности по обнаружению и изучению скрытых магнитных явлений в квантовых материалах. Если ими управлять, то эти вихревые текстуры, одетые магнитными зарядами, могли бы стать источником сверхбыстрой и энергоэффективной логики компьютерной памяти.