Monopolstrøm giver mulighed for at kontrollere magneter

I arbejde udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , forskere fra RIKEN i Japan har opdaget interessante nye magnetiske egenskaber ved en type materialer kendt som "kvante -spin -is". Disse materialer viser interessante egenskaber, da de opfører sig som "frustrerede magneter" - systemer, der kan slå sig ned i forskellige magnetiske tilstande på grund af deres særlige geometri. En vigtig egenskab ved disse materialer er, at de har virtuelle monopoler - partikler, der er enten nord eller syd, men ikke som typiske magneter, som altid har en nord- og sydpol begrænset sammen.

Ved hjælp af numeriske simuleringer, gruppen viste, hvordan et magnetfelt kunne bruges til at kontrollere egenskaberne for nord- og sydpoler, som er fraktioneret fra elektroniske magnetiske øjeblikke, på en frustreret magnet kaldet en kvantespind-is.

Gruppen foreslog først en model for kvante-spin-is-spin-is baseret på kvanteegenskaber-i 2010 for at beskrive magnetiske lavenergiske egenskaber ved magnetiske sjældne-jordiske pyrochlorer-en type mineral, der viser interessante fysiske egenskaber. I 2012, forsøg viste, at denne model var gyldig. Dette system inkluderer en kvantespin-væsketilstand, hvor spins-egenskaben af ​​elektroner, der fører til magnetiske egenskaber-forhindres i at bestille og fryse ved nulpunktsbevægelse, en bevægelsesform, der er tilladt selv ved nul temperatur under kvantemekanik, af deres monopoler. Da monopolafgifter er underlagt en fredningslov, bevægelsen af ​​nord- og sydpoler påvirker direkte retningen af ​​magnetiske øjeblikke i systemet. Ud over, elektriske ladninger bæres ikke af disse monopoler, og dermed ledsages monopolstrømmen ikke af en elektrisk strøm, der ville føre til et stort energitab gennem Joule -varme. "På grund af dette, "siger Shigeki Onoda, gruppens leder, "monopolstrøm tilbyder en potentielt effektiv måde at styre magneter på uden tab."

Gennem dette arbejde, forskerne afslørede, at der er successive overgange fra kvantespinvæsketilstanden, hvis et magnetfelt påføres i en særlig retning, langs hvilken lag af kagome-gitter og trekantede gitterlag er stablet oven på hinanden. Først, magnetiseringen af ​​systemet stiger jævnt til en værdi på to tredjedele af den maksimale værdi i kvantespin-væsketilstanden, og forbliver derefter på dette niveau i et begrænset område af feltstyrken, som kaldes 2/3 magnetiseringsplateauet. I denne plateautilstand, nulpunktsbevægelsen af ​​monopoler er rumligt begrænset og lokaliseret, og således kan denne tilstand ikke være vært for en kohærent monopolstrøm. Imidlertid, når styrken af ​​magnetfeltet øges, magnetiseringen af ​​materialet begynder til sidst at stige igen og samtidig, monopolladningerne bliver uforholdsmæssigt store og viser en superfluiditet. Dette er en magnetisk analog af et supersolid i helium 4, hvor atomerne viser både en ikke-ensartet rumlig fordeling og en overfluiditet, som understøtter friktionsfri og dermed dissipationsfri strøm, ved ekstremt lav temperatur. Monopolens supersolidfase overlever, indtil magnetiseringen mætter til den maksimale værdi.

Ifølge Onoda, "Vores arbejde indikerer, at ledningsevnen forbundet med monopolstrømmen i det væsentlige kan styres ved at påføre et magnetfelt på kvantespind-is, og at det er muligt at være vært for dissipationsfri monopolstrøm i den monopole supersolid fase. Vores resultater kan også åbne en ny vej til den effektive kontrol af magnetisme til en række potentielle applikationer såsom hukommelsesenheder. "