Diamenty i rdza przepisują podręczniki fizyki

Naukowcy z Cambridge zidentyfikowali monopole magnetyczne w hematycie, co sugeruje nowe możliwości w zakresie zaawansowanych, przyjaznych dla środowiska technik obliczeniowych. Ta pierwsza obserwacja wyłaniających się biegunów w magnesach naturalnych może otworzyć nowe horyzonty w badaniach nad materiałami kwantowymi.

Naukowcy odkryli monopole magnetyczne – izolowane ładunki magnetyczne – w materiale blisko spokrewnionym z rdzą. Odkrycie to można wykorzystać do opracowania bardziej ekologicznych i szybszych technologii obliczeniowych.

Naukowcy pod kierownictwem Uniwersytetu w Cambridge wykorzystali technikę znaną jako kwantowe wykrywanie diamentów do obserwacji wirujących tekstur i słabych sygnałów magnetycznych na powierzchni hematytu, rodzaju tlenku żelaza.

Pojawiające się monopole i wirujące tekstury

Naukowcy zaobserwowali, że monopole magnetyczne w hematycie pojawiają się w wyniku zbiorowego zachowania wielu spinów (momentu pędu cząstki). Monopole przesuwają się po wirujących teksturach na powierzchni hematytu niczym małe krążki hokejowe z ładunkiem magnetycznym. Po raz pierwszy zaobserwowano eksperymentalnie naturalnie występujące monopole.

Badania wykazały również bezpośredni związek między wcześniej ukrytymi teksturami wirów a ładunkami magnetycznymi materiałów takich jak hematyt, tak jakby istniał sekretny kod łączący je ze sobą. Wyniki, które mogą być przydatne w tworzeniu aplikacji logiki i pamięci nowej generacji, opublikowano dzisiaj (5 grudnia) w czasopiśmie Materiały natury.

Historyczne spojrzenie na monopole magnetyczne

Zgodnie z równaniami Jamesa Clerka Maxwella, jednego z gigantów fizyki z Cambridge, obiekty magnetyczne, czy to magnesy na lodówkę, czy sama Ziemia, powinny zawsze istnieć w postaci pary biegunów magnetycznych, których nie można odizolować.

„Magnesy, których używamy na co dzień, mają dwa bieguny: północny i południowy” – powiedziała profesor Mete Atatori, która kierowała badaniami. „W dniu 19^y W XX wieku postulowano, że mogą istnieć unipole. Jednak w jednym ze swoich podstawowych równań do badania elektromagnetyzmu James Clerk Maxwell nie zgodził się z tym poglądem.

Attatori jest szefem Cavendish Laboratory w Cambridge, które wcześniej zajmował sam Maxwell. „Jeśli monopole rzeczywiście istnieją i możemy je wyizolować, byłoby to jak znalezienie brakującego elementu układanki, którego rzekomo brakowało” – powiedział.

Strategia wschodzenia i wspólne badania

Około 15 lat temu naukowcy zaproponowali istnienie monopoli w materiałach magnetycznych. Ten teoretyczny wynik opierał się na skrajnej odległości między biegunem północnym i południowym, tak że każdy biegun wydaje się lokalnie odizolowany w egzotycznej substancji zwanej lodem wirowym.

Istnieje jednak alternatywna strategia znajdowania monopoli, która opiera się na koncepcji wschodu. Idea pojawienia się polega na tym, że połączenie kilku bytów fizycznych może prowadzić do właściwości, które są albo większe, albo różne od sumy ich części.

Współpracuj z kolegami z Oxford University Natomiast badacze z Narodowego Uniwersytetu w Singapurze w Cambridge wykorzystali emanację do wykrywania monopoli rozprzestrzeniających się w przestrzeni 2D, przesuwających się przez tkanki wirowe na powierzchni materiału magnetycznego.

Tekstury topologiczne wirów występują w dwóch głównych typach materiałów: ferromagnetykach i antymagnesach. Z tych dwóch antymagnesy są bardziej stabilne niż ferromagnetyki, ale są trudniejsze do zbadania, ponieważ nie mają silnej sygnatury magnetycznej.

Antymagnetyki i diamentowa magnetometria kwantowa

Aby zbadać zachowanie antymagnesów, Attatori i jego współpracownicy zastosowali technikę obrazowania znaną jako diamentowa magnetometria kwantowa. Technika ta wykorzystuje pojedynczy spin – nieodłączny moment pędu elektronu – w diamentowej igle do precyzyjnego pomiaru pola magnetycznego na powierzchni materiału, bez wpływu na jego zachowanie.

W bieżącym badaniu naukowcy wykorzystali tę technikę do zbadania hematytu, antymagnetycznego materiału w postaci tlenku żelaza. Ku swemu zdziwieniu odkryli w hematycie ukryte układy ładunków magnetycznych, w tym monopole, dipole i kwadrupole.

Współautor, profesor Paolo Radelli z Uniwersytetu Oksfordzkiego, powiedział: „Istnienie monopoli zostało przewidziane teoretycznie, ale po raz pierwszy faktycznie zaobserwowaliśmy monopol 2D w naturalnym magnesie”.

„Te monopole to zbiorowy stan wielu spinów krążących wokół osobliwości, a nie pojedyncza stabilna cząstka, zatem pojawiają się w wyniku interakcji wielu ciał. W rezultacie wyłania się z nich mała, zlokalizowana stabilna cząstka” – powiedział współautor dr. Harium Jani z Uniwersytetu Oksfordzkiego: zmienne pole magnetyczne.

Współpierwszy autor, dr Anthony Tan z Uniwersytetu Harvarda, powiedział: „Pokazaliśmy, jak diamentową magnetometrię kwantową można wykorzystać do rozwikłania tajemniczego zachowania magnetyzmu w dwuwymiarowych materiałach kwantowych, co może otworzyć nowe obszary badań w tej dziedzinie”. Laboratorium Cavendisha. „Wyzwaniem zawsze było bezpośrednie zobrazowanie tych tkanek w antymagnesach ze względu na ich słabe przyciąganie magnetyczne, ale teraz jesteśmy w stanie to zrobić dzięki wyjątkowemu połączeniu diamentu i rdzy”.

Badanie nie tylko podkreśla potencjał diamentowej magnetometrii kwantowej, ale także podkreśla jej potencjał w zakresie wykrywania i badania ukrytych zjawisk magnetycznych w materiałach kwantowych. Kontrolowane te wirujące tkanki pokryte ładunkami magnetycznymi mogłyby niezwykle szybko i efektywnie energetycznie uruchamiać logikę pamięci komputera.

Odniesienie: „Wykrywanie pojawiającego się ładunku magnetycznego w antymagnesach za pomocą diamentowej magnetometrii kwantowej”: Anthony KC Tan, Harium Jani, Michael Hogan, Lucio Stefan, Claudio Castelnuovo, Daniel Brund, Alexandra Jim, Annika Michnic, Matthew SJ Fiore, Helena s. Knowles, Ariando Ariando i Paolo G. Radelli i Miti Atatori, 5 grudnia 2023 r., Materiały natury.
doi: 10.1038/s41563-023-01737-4

Badania były częściowo wspierane przez Towarzystwo Królewskie, Instytut Sir Henry’ego Royce’a, Unię Europejską oraz Radę ds. Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi (EPSRC), część brytyjskiej organizacji ds. badań i innowacji (UKRI).