Diamanter og rust hjælper med at afsløre umulige kvasipartikler

Forskere har opdaget magnetiske monopoler – isolerede magnetiske ladninger – i et materiale, der er tæt relateret til rust, et resultat, der kunne bruges til at drive grønnere og hurtigere computerteknologier.

Forskere ledet af University of Cambridge brugte en teknik kendt som diamantkvanteføling til at observere hvirvlende teksturer og svage magnetiske signaler på overfladen af ​​hæmatit, en type jernoxid.

Forskerne observerede, at magnetiske monopoler i hæmatit opstår gennem den kollektive opførsel af mange spins (en partikels vinkelmomentum). Disse monopoler glider hen over de hvirvlende teksturer på overfladen af ​​hæmatitten som små hockeypucks af magnetisk ladning. Dette er første gang, at naturligt forekommende nye monopoler er blevet observeret eksperimentelt.

Forskningen har også vist den direkte forbindelse mellem de tidligere skjulte hvirvlende teksturer og de magnetiske ladninger af materialer som hæmatit, som om der er en hemmelig kode, der forbinder dem sammen. Resultaterne, som kunne være nyttige til at aktivere næste generations logik- og hukommelsesapplikationer, er rapporteret i tidsskriftet Nature Materials .

Ifølge ligningerne fra James Clerk Maxwell, en kæmpe af Cambridge-fysikken, skal magnetiske objekter, hvad enten det er en køleskabsmagnet eller selve Jorden, altid eksistere som et par magnetiske poler, der ikke kan isoleres.

"De magneter, vi bruger hver dag, har to poler:nord og syd," sagde professor Mete Atatüre, der ledede forskningen. "I det 19. århundrede blev det antaget, at monopoler kunne eksistere. Men i en af ​​hans grundlæggende ligninger for studiet af elektromagnetisme var James Clerk Maxwell uenig."

Atatüre er leder af Cambridges Cavendish Laboratory, en stilling engang besat af Maxwell selv. "Hvis monopoler eksisterede, og vi var i stand til at isolere dem, ville det være som at finde en forsvundet puslespilsbrik, der blev antaget at være tabt," sagde han.

For omkring 15 år siden foreslog forskere, hvordan monopoler kunne eksistere i et magnetisk materiale. Dette teoretiske resultat var afhængig af den ekstreme adskillelse af nord- og sydpolen, så hver pol lokalt så ud til at være isoleret i et eksotisk materiale kaldet spin-is.

Der er dog en alternativ strategi til at finde monopoler, der involverer begrebet emergens. Ideen om emergens er kombinationen af ​​mange fysiske enheder, der kan give anledning til egenskaber, der enten er mere end eller forskellige fra summen af ​​deres dele.

I samarbejde med kolleger fra University of Oxford og National University of Singapore brugte Cambridge-forskerne emergence til at afsløre monopoler spredt over todimensionelt rum, der glider hen over de hvirvlende teksturer på overfladen af ​​et magnetisk materiale.

De hvirvlende topologiske teksturer findes i to hovedtyper af materialer:ferromagneter og antiferromagneter. Af de to er antiferromagneter mere stabile end ferromagneter, men de er sværere at studere, da de ikke har en stærk magnetisk signatur.

For at studere antiferromagneters opførsel bruger Atatüre og hans kolleger en billedbehandlingsteknik kendt som diamantkvantemagnetometri. Denne teknik bruger et enkelt spin - det iboende vinkelmoment af en elektron - i en diamantnål til præcist at måle magnetfeltet på overfladen af ​​et materiale uden at påvirke dets adfærd.

Til den aktuelle undersøgelse brugte forskerne teknikken til at se på hæmatit, et antiferromagnetisk jernoxidmateriale. Til deres overraskelse fandt de skjulte mønstre af magnetiske ladninger i hæmatit, inklusive monopoler, dipoler og quadrupoler.

"Monopoler var blevet forudsagt teoretisk, men det er første gang, vi rent faktisk har set en todimensionel monopol i en naturligt forekommende magnet," sagde medforfatter professor Paolo Radaelli fra University of Oxford.

"Disse monopoler er en kollektiv tilstand af mange spin, der snurrer rundt om en singularitet i stedet for en enkelt fast partikel, så de opstår gennem mange-kropsinteraktioner. Resultatet er en lillebitte, lokaliseret stabil partikel med divergerende magnetfelt, der kommer ud af den." sagde co-first forfatter Dr. Hariom Jani, fra University of Oxford.

"Vi har vist, hvordan diamantkvantemagnetometri kan bruges til at afsløre magnetismens mystiske opførsel i todimensionelle kvantematerialer, hvilket kan åbne op for nye studiefelter på dette område," sagde medforfatter Dr. Anthony Tan fra Cavendish Laboratory. "Udfordringen har altid været direkte billeddannelse af disse teksturer i antiferromagneter på grund af deres svagere magnetiske træk, men nu er vi i stand til at gøre det med en flot kombination af diamanter og rust."

Undersøgelsen fremhæver ikke kun potentialet ved diamantkvantemagnetometri, men understreger også dens evne til at afdække og undersøge skjulte magnetiske fænomener i kvantematerialer. Hvis de kontrolleres, kan disse hvirvlende teksturer klædt i magnetiske ladninger drive superhurtig og energieffektiv computerhukommelseslogik.

Flere oplysninger: Mete Atatüre et al., Revealing Emergent Magnetic Charge in an Antiferromagnet with Diamond Quantum Magnetometry, Naturmaterialer (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01737-4. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2303.12125

Journaloplysninger: Naturmaterialer , arXiv

Leveret af University of Cambridge