Faire monopôles magnétiques et autres exotica, dans le laboratoire, le magazine de symétrie
Physicien Shou-Cheng Zhang. Photo: Lauren Schenkman
Zhang est un théoricien de la matière condensée à l'Institut de Stanford pour la science et l'énergie des matériaux (SIMES), un institut commun de SLAC National Accelerator Laboratory et l'Université de Stanford. Il étudie les solides qui présentent des comportements électromagnétiques et quantiques inhabituelles, avec un oeil vers leur utilisation dans le stockage de l'information. Mais en raison de sa formation en tant que physicien des particules, Zhang conserve toujours la grande image à l'esprit. Voilà pourquoi il était si facile pour lui de voir que le matériel qu'il travaillait déjà sur pourrait se comporter comme ce que les théoriciens appellent un monopôle magnétique, un isolé pôle nord ou sud magnétique.
Le monopôle pense cousin magnétique responsable comme électrique, mais à la différence des charges positives ou négatives, au nord ou au sud des pôles se produisent toujours ensemble dans ce qu'on appelle un dipôle. Un seul nord ou pôle sud ne montre pas seulement dans le monde réel. Même si vous prenez un aimant et le couper en deux au milieu, vous ne serez pas un nord séparé et pôle sud, mais deux nouveaux aimants dipolaires au lieu. Pour les théoriciens de la symétrie d'esprit, cependant, il est naturel qu'il devrait y avoir un équivalent magnétique de la charge. Les théories des cordes et théories de grande unification se fondent sur son existence, et son absence porte atteinte au feng-shui mathématique des équations de Maxwell autrement élégantes qui régissent le comportement de l'électricité et le magnétisme. De plus, l'existence d'un monopôle magnétique expliquerait un autre mystère de la physique: pourquoi la charge est quantifiée; c'est, pourquoi il semble que de venir dans des paquets bien rangé d'environ 1.602x10 -19 Coulombs, la charge d'un électron ou un proton.
Mais dans plus de 30 années de recherche, personne n'a été en mesure de détecter de façon concluante cette particule. expériences de l'accélérateur ont pas eu plus de succès, des scientifiques croient monopôles existants doivent être beaucoup trop lourd pour créer même dans le Grand collisionneur de hadrons.
Il est intéressant de monopôle magnétique Zhang ne tombe pas du ciel; à la place, il menait une vie tranquille de l'autre côté d'un miroir, mais un miroir constitué d'un type d'alliage très spécial. De plus, dit Zhang, les mathématiques pour prouver l'effet est très clair. « Vous pouvez donner la dernière partie de la dérivation mathématique comme un examen final dans une année junior ou senior classe de physique de premier cycle. »
Pour comprendre comment un matériau peut agir comme un monopôle magnétique, il permet d'examiner d'abord comment un métal agit ordinaire lorsqu'une charge d'un électron, disons-est amenée près de la surface. Parce que les charges se repoussent, les électrons à la retraite de surface à l'intérieur, laissant la surface précédemment neutre chargée positivement. Le champ électrique résultant ressemble exactement à celle d'une particule à charge positive à la même distance au-dessous de la surface, il est l'image en miroir positive de l'électron. il est en fait, du point de vue d'un observateur, impossible de faire la différence.
Le concept d'une charge d'image est quelque chose aux étudiants de premier cycle physique rencontrent dans leur première classe d'électricité et le magnétisme, ainsi que l'idée que le monopôle magnétique n'existe pas. Mais alliage « miroir » de Zhang est pas de matériel ordinaire. Il est ce qu'on appelle un isolant topologique, une race étrange de Zhang solide se spécialise, dans lequel « les lois de l'électrodynamique sont considérablement modifiés, » dit-il. En fait, si un électron a été amené près de la surface d'un isolant topologique, le papier de Zhang démontre, quelque chose serait vraiment étrange arriver. Au lieu d'une charge positive ordinaire, Zhang dit: « Vous obtiendrez ce qui ressemble à un monopôle magnétique dans le« miroir. »
Pour revenir à l'exemple des charges d'image, il est important de souligner qu'il n'y a pas en fait la moitié d'un aimant de barre quelque part dans ce matériau. Au lieu de cela, Zhang a découvert, en raison d'une particularité du matériau appelé fort couplage spin-orbite, l'électron à proximité induirait un courant dans la surface qui circule en permanence sans disparaître. Cela majors physique tour-cycle, sortez vos crayons-créeraient un champ magnétique qui ressemble à celle d'un monopôle magnétique. Les expérimentateurs ont essayé de rapprocher ce domaine avant, par exemple en organisant des aimants permanents de certaines façons. Mais pour un observateur extérieur, le matériel de Zhang serait complètement impossible à distinguer de la particule de monopôle que les physiciens espéraient attraper dans leurs détecteurs supraconducteurs.
« Nous aimons trouver des choses qui n'existent pas », dit Zhang. Son travail sur le monopôle a d'autres ramifications; cela pourrait être un moyen de réaliser physiquement un certain nombre de particules qui, jusqu'à présent, n'ont existé que des lacunes mathématiques dans les théories de la physique à haute énergie. Par exemple, Zhang a montré que l'électron et l'image monopôle ensemble agirait comme un soi-disant « anyon » situé à la surface du solide. « Le « tout », dans ce cas, comme dans« rien, » explique Zhang-ce sont des particules qui existent seulement dans deux dimensions, dont les propriétés chevauchent celles des deux classes de particules en trois dimensions, fermions et bosons.
« Particules exotiques telles que le monopôle magnétique, Dyon, anyon et l'axion ont joué un rôle fondamental dans notre compréhension théorique de la physique quantique », écrit Zhang dans le document. « L'observation expérimentale de ces particules exotiques dans les systèmes de la matière condensée de table pourrait enfin révéler leurs mystères profonds. » isolants topologiques pourraient fournir un nouveau débouché expérimental pour les physiciens des hautes énergies. « Vous ne devez pas regarder vers le cosmos », dit Zhang. « Je pense que nous verrons plus des belles structures mathématiques de la physique de haute énergie se réalisent en physique de la matière condensée. »
Par Lauren Schenkman, stagiaire symétrie
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