Обнаружение магнитных монополей в ржавом материале

Ученые обнаружили магнитные монополи — отдельные магнитные заряды — в материале, тесно связанном с ржавчиной, что предполагает потенциальное применение для разработки более быстрых и экологически чистых вычислительных технологий.

Используя квантовое зондирование алмаза, команда под руководством… Кембриджский университет Она наблюдала тонкие магнитные сигналы и вихревые узоры на поверхности гематита, оксида железа.

Исследователи отмечают, что появление магнитных монополей в гематите является результатом коллективного поведения множества спинов (угловых моментов частиц), напоминающих хоккейные шайбы с миниатюрным магнитным зарядом, скользящие по закрученной текстуре.

Это представляет собой первое экспериментальное наблюдение естественных монополей. Исследование также выявило прямую связь между ранее скрытыми вихревыми узорами и магнитными зарядами таких материалов, как гематит, что-то вроде зашифрованной связи.

Опубликовано в журнале Природные материалыЭти результаты могут способствовать разработке приложений логики и памяти следующего поколения. В отличие от уравнений Джеймса Клерка Максвелла, которые утверждают, что магнитные объекты существуют в виде пар полюсов, эти открытия бросают вызов традиционному пониманию магнитного поведения.

Магниты, которыми мы пользуемся каждый день, имеют два полюса: северный и южный.. В 19 лет^й В двадцатом веке было постулировано, что униполи могут существовать. Но в одном из своих основополагающих уравнений для изучения электромагнетизма Джеймс Клерк Максвелл не согласился с этим..

Мити Аатори, ведущий исследователь и профессор Кембриджского университета

Ататори — руководитель Кавендишской лаборатории в Кембридже, эту должность ранее занимал сам Максвелл.

Атори добавляет:Если монополи действительно существуют и мы можем их изолировать, это будет похоже на поиск якобы недостающего кусочка головоломки.«,»

Почти 15 лет назад ученые предположили, что монополи могут существовать внутри магнитного материала. Эта теоретическая концепция основана на идее крайнего разделения между Северным и Южным полюсами, создавая сценарий, в котором каждый полюс оказывается изолированным в уникальном материале, известном как спиновый лед.

Однако альтернативный подход к определению монополий предполагает принцип возникновения. Эта идея предполагает, что сочетание нескольких физических объектов может порождать свойства, превосходящие или отличающиеся от суммы их отдельных частей.

В сотрудничестве с коллегами из Оксфордского университета и Национального университета Сингапура исследователи из Кембриджского университета использовали концепцию возникновения для обнаружения монополей, распределенных в двумерном пространстве, пересекающих вихревые узоры на поверхности магнитного материала.

Эти сложные топологические текстуры проявляются в двух основных классах материалов: ферромагнетиках и антимагнетиках. Среди этих элементов антимагнетики демонстрируют большую стабильность, чем ферромагнетики, хотя их труднее изучать из-за менее выраженных магнитных характеристик.

Чтобы исследовать поведение антимагнетиков, Ататори и его команда использовали технологию квантовой магнитной визуализации алмаза. Этот метод использует преимущества единственного спина, собственного углового момента электрона внутри алмазной иглы, для точного измерения магнитного поля на поверхности материала, не влияя на его поведение.

В текущем исследовании ученые применили этот метод для изучения гематита, антимагнитного материала из оксида железа. К своему удивлению, они обнаружили в гематите скрытые структуры магнитных зарядов, включая монополи, диполи и квадруполи.

Существование монополей было предсказано теоретически, но мы впервые увидели двумерный монополь в природном магните..

Паоло Раделли, соавтор исследования и профессор Оксфордского университета

Эти монополи представляют собой коллективное состояние многих спинов, вращающихся вокруг сингулярности, а не одной фиксированной частицы, поэтому они возникают в результате взаимодействия между многими объектами. В результате получается небольшая локализованная стабильная частица, из которой возникает переменное магнитное поле..

Доктор Хариум Джани, соавтор исследования, Оксфордский университет

«Мы показали, как алмазная квантовая магнитометрия может использоваться для выявления загадочного поведения магнетизма в двумерных квантовых материалах, что может открыть новые области исследований в этой области.сказал соавтор исследования доктор Энтони Тан из Кавендишской лаборатории.

Тан добавил:Задача всегда заключалась в том, чтобы напрямую отобразить эти ткани в антимагнитах из-за их слабого магнитного притяжения, но теперь мы можем сделать это с помощью изысканного сочетания алмаза и ржавчины.«.

Исследование не только фокусируется на возможностях квантовой магнитометрии алмаза, но также подчеркивает его способность обнаруживать и исследовать магнитные явления, скрытые в квантовых материалах. Если бы эти магнитные заряды, украшенные закрученной текстурой, были использованы, они могли бы выполнять логику компьютерной памяти чрезвычайно быстро и с низким энергопотреблением.

Финансирование исследования было частично предоставлено Королевским обществом, Институтом сэра Генри Ройса, Европейским Союзом и Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC), входящим в состав Британской исследовательской и инновационной организации (UKRI).

Ссылка на журнал:

Тан, А.К.С., и другие. (2023)Обнаружение возникающего магнитного заряда в антиферромагнетиках с помощью алмазной квантовой магнитометрии. Природные материалы. doi.org/10.1038/s41563-023-01737-4.

источник: https://www.cam.ac.uk/