La chasse à la Magnetic Monopole - IEEE Spectrum
Illustration: Bryan Christie design
L'un des faits premiers vous en apprendre davantage sur l'électromagnétisme long avant que vous entrez dans votre première physique de classe est que chaque aimant a deux pôles. Coupez un aimant en deux et vous liquidez avec deux aimants, dont chacun a son propre pôles nord et sud. Et cela est vrai pour chaque objet unique dans notre expérience qui possède un champ magnétique, que ce soit la terre entière ou un atome de fer. Il n'y a pas de pôles solitaires.
Étrangement, cependant, il n'y a aucune raison fondamentale pour laquelle cela doit être le cas. En fait, il y a quelques bonnes raisons de soupçonner qu'il pourrait y avoir des objets-magnétiques magnétiques simples unipolaires monopôles -Flottant à propos de l'univers. Si ces particules existent, elles sont probablement assez rares, mais cela n'a pas empêché les physiciens de chercher. Voici pourquoi: Si elles existent, ils pourraient aider à répondre à des questions de longue date sur la nature de l'univers, mettant en lumière la façon dont les forces fondamentales de la nature sont liées entre elles.
Dans tous les cas, jusqu'à présent, la recherche a mis à sec. Mais il y a quelques années, mes collègues et moi, ainsi que d'autres groupes de recherche, ont rencontré des preuves de quelque chose qui ressemble et se comporte comme un monopôle naturel serait. Nos monopôles se limitent à des matériaux particuliers, et ils ne se produisent que lorsque les spins des atomes sont alignés dans la bonne façon. Mais contrairement à leurs frères, ils ne sont toujours pas, relativement sans contrainte offrent un peu d'espoir de nouvelles technologies. Un jour, nous pourrions être en mesure de manipuler des charges magnétiques autant que nous contrôlons le flux de charges électriques aujourd'hui. Il est presque impossible de prédire où cette nouvelle capacité pourrait conduire; nous avons pu voir des dispositifs qui sont capables d'effectuer des calculs ou le stockage d'informations ou de l'énergie dans des voies entièrement nouvelles. Mais avant que nous puissions savoir ce que monopôles peut faire, il faut aller au fond de la façon dont ils se comportent.
La plupart de ce que nous savons sur les champs magnétiques remonte au milieu du 19e siècle, lorsque James Clerk Maxwell a fait ses débuts un ensemble d'équations qui ont démontré que les forces électriques et magnétiques les deux souches à partir d'une seule force: électromagnétisme. Maxwell a montré il y a symétrie dans cette unification: Changer les champs magnétiques créent des courants électriques, et des charges électriques en mouvement créent des champs magnétiques. Mais cette symétrie a ses limites. Les charges électriques peuvent être positives ou négatives, mais les aimants sont dipolaire. Ils contiennent toujours deux « charges magnétiques »: un nord et un pôle sud.
Cette asymétrie est plus ou moins juste une curiosité jusqu'à 1931. C'est le physicien Paul Dirac a montré que l'existence d'une version magnétique de la charge -a-monopôle magnétique pourrait aider à expliquer un fait apparemment arbitraire: pourquoi les électrons et autres particules chargées ont des quantités que quantifiées c'est-à-dire des multiples entiers de-charge électrique fondamentale. Cette prise de conscience a offert la possibilité que, même si elles sont loin de notre expérience quotidienne, les monopôles magnétiques pourraient bien exister. Plus récents travaux théoriques ont revitalisé cette idée, parce que les particules pop aussi dans les grandes théories unifiées qui tentent de lier les forces fondamentales de la nature ensemble.
L'équipe a proposé la recherche de ces monopôles piégés à des températures proches du zéro absolu dans la glace de spin, une classe particulière de matériaux avec des ions disposés en pyramides à quatre côtés appelés tétraèdres. Ces tétraèdres sont empilés ensemble pour faire un cristal appelé pyrochlore.
Une façon que les physiciens de visualiser la structure spin-glace est à travers des tubes de polarisation. Ces tours relient du sud au nord, un peu comme une ligne de conga. Un tétraèdre spin-glace qui obéit à la règle de la glace aura deux tubes de polarisation qui le traversent [à gauche]. Tubes se terminent lorsqu'un monopôle est présent [à droite].
Tout comme des aimants à barres, ces tours interagissent entre eux et essayer de électromagnétiquement se rallient afin qu'ils soient parallèles ou antiparallèles. Mais ce qui fait tourner ices spécial et ce qui leur donne leur nom sont les configurations de ces tours sont contraintes par la géométrie dans du cristal.
Lorsque la température du matériau cristallin est relativement élevé, les forces qui tentent d'aligner les tours sont facilement submergés par les fluctuations thermiques. Les tours sont orientés au hasard et peuvent facilement changer de direction. Lorsque le matériau est refroidi à seulement quelques degrés au-dessus du zéro absolu, les forces entre les tours commencent à dominer. Les spins des atomes naturellement commencer à aligner dans le plus bas, l'état d'énergie le plus stable: une configuration dans laquelle deux des quatre tours de chaque tétraèdre pointent vers le centre de la pyramide et deux points vers l'extérieur.
Parce que les champs magnétiques vont bien au-delà de chaque atome, les chercheurs ont suggéré que nous pensons à la rotation sur chaque atome comme un haltère étendu. La barre de liaison est centrée sur le noyau de l'atome et se termine par deux charges magnétiques distincts: un pôle nord au centre d'une tétraèdre et un pôle sud au centre de l'autre. Quand vous regardez le centre d'un de ces tétraèdres, les pôles des quatre coins se soit annulent ou ajouter ensemble.
Dans le cas où les règles de glace sont respectées, les deux pôles nord et deux pôles sud s'annulent. Mais voici où il devient intéressant: Quand les règles de glace ne sont pas respectées, si, par exemple, il y a trois tours pointant vers l'intérieur et une pointant vers l'extérieur puis les trois pôles nord et un pôle sud au centre donnera lieu à un seul, pôle nord magnétique. Voilà! Il y a votre monopôle. De même, une en configuration trois en ferait un monopôle magnétique unique, au sud.
Nous avons utilisé une sonde puissante que nous avions déjà en main: des faisceaux de neutrons. Parce qu'ils ont pas de charge électrique, les neutrons passent facilement à travers la majeure partie de l'espace dans un matériau, diffusion seulement quand ils entrent en collision avec les petits noyaux au centre d'atomes. Mais ils ont aussi des moments magnétiques intrinsèques, afin qu'ils puissent être déviés par les champs magnétiques des atomes. Briller un faisceau de neutrons à travers un matériau et le motif qu'ils font de l'autre côté peut vous dire certaines choses au sujet de la structure magnétique qui a provoqué les neutrons à diffractent. Ce sont les physiciens de manière standard les sujets d'étude aussi large que la structure des protéines, des souches dans les pales de moteurs à réaction, et les interactions magnétiques dans les supraconducteurs.
neutrons pliage
Images: D.J.P. Morris
Physiciens peuvent rechercher des tubes de polarisation ou des chaînes, ce lien monopôles par des neutrons qui brille à travers un échantillon spin-glace. Ces idéalisations montrent ce que les données de diffusion de neutrons résultant pourrait ressembler si un champ magnétique suffisamment fort est utilisé pour aligner tous les tours de sorte qu'il n'y a pas de chaînes existent [haut] et si ce champ magnétique est désactivé si les chaînes peuvent former [bas].
Dans un spin glace, les neutrons sont particulièrement bien adaptés à la cueillette sur les corrélations entre les tours-faire étroitement liés l'alignement d'un spin est à l'autre. Nous pensons à ces alignements « tubes » de polarisation des tours de chaînes a que par le flux des congrès du sud au nord. Dans un tétraèdre ordinaire qui obéit aux règles de glace, vous aurez deux de ces tubes qui traversent le centre; chacun entre dans le tétraèdre par un tour avec son côté pointant vers le nord et les sorties par un avec son côté nord indiquant. Lorsque les règles de glace sont brisés, juste un tube de polarisation circulera tout au long de tétraèdre et deux autres tubes de polarisation se terminera au centre. Ces critères d'évaluation sont là où nous devrions nous attendre à voir monopôles. Sinon, nous pourrions simplement voir un matériau contenant des tubes de polarisation sans extrémités, essentiellement des boucles juste.
Lorsque les neutrons se dispersent hors tubes de polarisation, ils laissent des modèles distinctifs dans les emplacements des neutrons qui ont frappé nos détecteurs. Mais déduisant la structure responsable de ce modèle est difficile à faire. Si vous pouvez visualiser tous les tubes de polarisation dans une glace de spin, vous auriez à quoi ressemblerait un bol de spaghettis. Si vous avez essayé de suivre un seul brin par une pile, vous seriez rapidement se perdre dans un nœud 3-D.
Ceci est cohérent avec ce que nous attendons de voir si monopôles étaient présents et avaient assez d'énergie pour migrer loin les uns des autres, laissant derrière lui une série de tours basculées. Mais nous avions besoin d'un moyen de confirmer qu'il y avait en fait des monopôles à la fin des cordes.
Heureusement, certains de nos collègues à Berlin-Clemens Czternasty, Bastian Klemke et Michael Meissner-travaillaient uniquement sur une telle expérience. Ils enquêtaient sur la rotation de la capacité thermique de la glace, une mesure de la façon dont est nécessaire d'énergie pour changer la température d'un matériau. La capacité calorifique est liée au nombre de configurations différentes d'un matériau peut prendre. Pour l'eau, il correspond au nombre d'agencements possibles des atomes d'hydrogène et d'oxygène. Pour une glace de spin, il est lié au nombre d'orientations de rotation. Le nombre de configurations possibles est liée à la quantité d'énergie est disponible pour les matériaux, de sorte que la capacité thermique est une mesure très sensible de l'état du système.
L'une des questions que je posais beaucoup après notre article scientifique est sorti était de savoir si les monopôles que nous avions trouvé dans la glace de spin pourraient être considérés comme monopôles magnétiques « réelles ».
Si ces monopôles ne sont pas les objets recherchés par les physiciens des particules, peut-on les appelle à juste titre monopôles magnétiques? Les mesures de capacité thermique notre équipe a réalisé suggèrent que monopôles spin-glace ne vraiment semblent porter une charge magnétique, et leurs interactions simulent la méthode de base que les charges magnétiques positives et négatives interagiraient dans le vide.
Parce que nous sommes toujours le tri de la physique de base, nous ne faisons que commencer à réfléchir à des applications. Une possibilité intéressante est « magnetricity », une forme magnétique d'électricité. Avec le champ magnétique droit, il pourrait être possible de tirer monopôles par la glace de spin dans la même manière que la tension est utilisée pour tirer du courant par des fils. Les particularités de la géométrie spin-glace ne fera pas courant magnétique presque aussi si simple,. Parce que les monopôles mobiles laissent une trace de tours basculées derrière eux, il est impossible de conduire une seconde monopôle sur le chemin même. Cela exclut un courant continu monopôle, mais il ne laisse la fenêtre ouverte pour monopôle courant et des dispositifs en alternance.
Parce que les tours peuvent retourner dans une glace de spin, le matériau peut également être en mesure de filtrer un champ magnétique et emmagasiner de l'énergie magnétique beaucoup plus comme un diélectrique fait. De plus, il y a des raisons de penser qu'il pourrait être possible de doper le matériau, de façon similaire à la façon dont les impuretés sont ajoutées à un semi-conducteur pour renforcer ses propriétés de charge porteurs. L'année dernière, les expériences ont montré que les monopôles pourraient être faits pour se déplacer plus lentement à travers une glace de spin si plus d'ions magnétiques ont été ajoutés au mélange. Si la glace de spin peut être dopés pour modifier la vitesse de monopôles à travers le matériau, il est pas déraisonnable d'imaginer des analogues magnétiques à des composants de l'appareil électrique de base tels que des condensateurs et des jonctions.
Mais il y a quelques grands blocs d'achoppement que nous aurions à surmonter avant de pouvoir aller partout à proximité de la fabrication de dispositifs Magnetronic pratiques. L'une est la pureté des échantillons: Même de petits défauts de structure peuvent bloquer le flux de monopôles. L'autre est la température. Pour geler une glace de spin et de créer des monopôles, vous devez refroidir ces matériaux à des températures très basses, typiquement de l'ordre d'un degré au-dessus du zéro absolu, soit environ 1 K ou -272 ° C. On ne sait pas si nous pouvons créer un matériau qui peut subir une transition spin-glace à des températures plus pratiques. Les moments magnétiques de ses atomes, ou les interactions entre eux, devraient être énorme pour contrer les effets de brouillage de l'énergie thermique à des températures plus élevées, et sans une telle matière est actuellement connu pour exister.
Un système monopolaire alternative qui a émergé est « artificielle glace de spin. » Ces matériaux artificiels sont des systèmes à deux dimensions qui peuvent être fabriqués à partir de patches-soit nanométriques îles ou fils-d'un matériau ferromagnétique tel que le cobalt. Les dimensions d'un patch sont choisies de sorte que les moments magnétiques des atomes à l'intérieur de pointer vers un sommet entre voisins. Si ces correctifs sont disposés soit dans un nid d'abeille ou une structure carrée, vous pouvez obtenir leurs moments magnétiques d'obéir à des règles de glace. Un réseau carré obéira aux mêmes deux dans, deux règles sur les glaces de spin ordinaire. Dans un réseau en nid d'abeille, où trois plaques se rencontrent à chaque sommet, il y a toujours une charge magnétique en excès.
, Il est encore trop tôt pour le monopôle magnétique, et je n'exclut pas des applications puissantes qui ne sont pas encore à imaginer. Une révolution Magnetronic pourrait être un peu plus l'horizon.