Istraživači su otkrili magnetne monopole – izolovana magnetna naelektrisanja – u materijalu koji je usko povezan sa rđom, rezultat koji bi mogao da se koristi za pokretanje zelenijih i bržih računarskih tehnologija.
Istraživači predvođeni Univerzitetom u Kembridžu koristili su tehniku poznatu kao dijamantski kvantni sensing da bi posmatrali vrtložne teksture i slabe magnetne signale na površini hematita, vrste gvožđeg oksida.
Istraživači su primetili da se magnetni monopoli u hematitu pojavljuju kroz kolektivno ponašanje mnogih spinova (ugaoni moment čestice). Ovi monopoli klize po uskovitlanim teksturama na površini hematita poput sićušnih hokejaških pakova magnetnog naboja. Ovo je prvi put da su monopoli koji se pojavljuju u prirodi eksperimentalno uočeni.
Istraživanje je takođe pokazalo direktnu vezu između prethodno skrivenih vrtložnih tekstura i magnetnih naboja materijala poput hematita kao da postoji tajni kod koji ih povezuje. Rezultati, koji bi mogli biti korisni u omogućavanju logičkih i memorijskih aplikacija sledeće generacije, objavljeni su u časopisu Prirodni materijali.
Prema jednačinama Džejmsa Klerka Maksvela, giganta fizike Kembridža, magnetni objekti, bilo da je magnet za frižider ili sama Zemlja, uvek moraju postojati kao par magnetnih polova koji se ne mogu izolovati.
„Magneti koje koristimo svaki dan imaju dva pola: severni i južni“, rekao je profesor Mete Atature, koji je vodio istraživanje. „U 19. veku se pretpostavljalo da monopoli mogu postojati. Ali u jednoj od njegovih temeljnih jednačina za proučavanje elektromagnetizma, Džejms Klerk Maksvel se nije složio.“
Atature je šef Kembridžove Kevendiš laboratorije, poziciju koju je nekada imao sam Maksvel. „Da su monopoli postojali i da smo bili u mogućnosti da ih izolujemo, to bi bilo kao da pronađemo nestali deo slagalice za koji se pretpostavljalo da je izgubljen“, rekao je on.
Pre oko 15 godina, naučnici su predložili kako monopoli mogu postojati u magnetnom materijalu. Ovaj teorijski rezultat se oslanjao na ekstremno razdvajanje severnog i južnog pola, tako da je, lokalno, svaki pol izgledao izolovan u egzotičnom materijalu zvanom spin led.
Međutim, postoji alternativna strategija za pronalaženje monopola koji uključuje koncept nastanka. Ideja o nastanku je kombinacija mnogih fizičkih entiteta koji mogu dovesti do osobina koje su ili više ili različite od zbira njihovih delova.
Radeći sa kolegama sa Univerziteta u Oksfordu i Nacionalnog univerziteta u Singapuru, istraživači sa Kembridža su koristili pojavu da otkriju monopole raširene po dvodimenzionalnom prostoru, klizeći preko vrtložnih tekstura na površini magnetnog materijala.
Vrtložne topološke teksture se nalaze u dve glavne vrste materijala: feromagneti i antiferomagneti. Od ova dva, antiferomagneti su stabilniji od feromagneta, ali ih je teže proučavati jer nemaju jak magnetni potpis.
Da bi proučavali ponašanje antiferomagneta, Atature i njegove kolege koriste tehniku snimanja poznatu kao dijamantska kvantna magnetometrija. Ova tehnika koristi jedan obrt — svojstveni ugaoni moment elektrona — u dijamantskoj igli za precizno merenje magnetnog polja na površini materijala, bez uticaja na njegovo ponašanje.
Za trenutnu studiju, istraživači su koristili tehniku da pogledaju hematit, antiferomagnetni materijal gvožđe oksida. Na svoje iznenađenje, pronašli su skrivene obrasce magnetnih naelektrisanja unutar hematita, uključujući monopole, dipole i kvadrupole.
„Monopoli su bili teoretski predviđeni, ali ovo je prvi put da smo zapravo videli dvodimenzionalni monopol u prirodnom magnetu“, rekao je koautor profesor Paolo Radaeli sa Univerziteta u Oksfordu.
„Ovi monopoli su kolektivno stanje mnogih okretaja koji se okreću oko singulariteta, a ne jedne fiksne čestice, tako da nastaju kroz interakcije više tela. Rezultat je sićušna, lokalizovana stabilna čestica sa divergentnim magnetnim poljem koje izlazi iz nje“, rekao je koautor dr Hariom Jani sa Univerziteta u Oksfordu.
„Pokazali smo kako se dijamantska kvantna magnetometrija može koristiti za otkrivanje misterioznog ponašanja magnetizma u dvodimenzionalnim kvantnim materijalima, što bi moglo otvoriti nova polja proučavanja u ovoj oblasti“, rekao je prvi autor dr Entoni Tan iz Cavendish Laboratori. „Izazov je uvek bio direktno snimanje ovih tekstura u antiferomagnetima zbog njihovog slabijeg magnetnog privlačenja, ali sada smo u mogućnosti da to uradimo sa lepom kombinacijom dijamanata i rđe.
Studija ne samo da naglašava potencijal kvantne magnetometrije dijamanta, već i naglašava njenu sposobnost da otkrije i istražuje skrivene magnetne fenomene u kvantnim materijalima. Ako se kontrolišu, ove vrtložne teksture obučene u magnetna naelektrisanja mogle bi da napajaju superbrzu i energetski efikasnu logiku računarske memorije.
