Minden megdőlhet, amit a mágnesességről tudunk

A Cambridge-i Egyetem (Anglia) által irányított kutatócsoport mágneses monopólusokat, vagyis izolált mágneses pólusokat azonosított egy rozsdához hasonló anyagban. A felfedezés zöldebb és gyorsabb számítógépes technológiák előtt nyithatja meg az utat.

A kutatók a gyémántos kvantumérzékelés (diamond quantum sensing) nevű módszerrel vizsgálták a vasoxid egyik kristálymódosulatának, a hematitnak a felszínét, ahol kanyargós textúrákat és gyenge mágneses jeleket figyeltek meg. Számukra is váratlan módon azt találták, hogy sok részecske spinjének (kvantumperdületének) összehangolt kollektív viselkedése nyomán mágneses monopólusok alakulnak ki a hematitban. Ezek a mágneses töltésből álló monopólusok úgy siklanak a hematit felszínén formálódó kanyargós textúrákban, mint hokikorong a jégen.

Mégis léteznek monopólusok?

A kutatók azt is igazolták, hogy a korábban rejtett kanyargós textúrák és a hematithoz hasonló anyagok mágneses mezői között közvetlen összefüggés áll fenn, mintha csak valamilyen titkos kód kapcsolná össze őket. A Nature Materials anyagtudományi szakfolyóiratban közölt eredmények hasznosnak bizonyulhatnak a logikai áramkörök és memóriaegységek következő generációjának kifejlesztésében.

A cambridge-i fizikusóriás, James Clerk Maxwell egyenletei szerint a mágneses tulajdonsággal bíró testek – legyen bár egy hűtőmágnesről vagy az egész Földről szó – mindig mágneses pólusok párjaiként léteznek, és ezeket a párokat lehetetlen szétválasztani. „A mindennapi életben használt mágneseinknek mindig két pólusuk van: egy északi és egy déli – magyarázza a kutatást vezető Mete Atatüre. – A 19. században még feltételezték a mágneses monopólusok létezését, de James Clerk Maxwell az elektromágnesség leírása szempontjából alapvető fontosságú egyik egyenletében cáfolta ezt a feltevést."

Atatüre most a cambridge-i Cavendish Laboratórium vezetője, vagyis ugyanazt a pozíciót tölti be, mint egykoron Maxwell maga.

– teszi hozzá a professzor.

Hogyan jöhetnek létre?

Tudósok úgy 15 évvel ezelőtt felvázoltak egy elméleti lehetőségét arra, miként létezhetnek monopólusok egy mágneses anyagban. Elképzelésük az északi és déli pólusok szélsőséges mértékű szétválasztásán alapult, minek nyomán lokálisan mindkét pólus látszólag izoláltan jelentkezne a spinjégnek nevezett egzotikus anyagban.

Létezik azonban egy alternatív stratégia is arra, hogy monopólusokat találjunk, amely az emergencia jelenségét hívja segítségül.

Az Oxfordi Egyetem és a Szingapúri Nemzeti Egyetem munkatársaival együttműködve a cambridge-i kutatók az emergencia révén jutottak el azoknak a monopólusoknak a felfedezéséhez, amelyek egy mágneses anyag felszínén formálódó kanyargós textúrák mentén, két dimenzióban siklanak. Ezek az örvényszerű topológiai textúrák két fő anyagtípusban: a ferromágnesekben és az antiferromágnesekben fordulnak elő. E kettő közül az antiferromágnesek a stabilabbak, ám nehéz őket tanulmányozni, mivel nem rendelkeznek erős mágneses ujjlenyomattal.

Az antiferromágnesek vizsgálata céljából Atatüre és kollégái a gyémánt-kvantummagnetometria nevű képalkotó eljáráshoz folyamodtak. Ez a technika egy gyémánttűben található egyetlen spin – egy elektron saját perdülete – segítségével képes nagyon pontosan mérni egy anyag felszínén a mágneses mezőket anélkül, hogy azok viselkedését megzavarná.

A jelen munka során a kutatók egy antiferromágneses vasoxid-kristálymódosulatot, a hematitot tették vizsgálatuk tárgyává. Meglepetésükre a mágneses töltések rejtett mintázatát fedték fel a hematit felszínén, s ezek között monopólusok, dipólusok és kvadrupólusok is akadtak.

– emelte ki Paolo Radaelli, az Oxfordi Egyetem tanára. A cikk első szerzőinek egyike, a szintén az Oxfordi Egyetemen dolgozó Hariom Jani hozzátette: „Ezek a monopólusok egy szingularitás körül örvénylő számtalan spin kollektív állapotából erednek, nem egyetlen helyhez kötött részecskéből, tehát egy soktest-kölcsönhatásból állnak elő emergens jelenségként. Az eredmény azonban egy apró, lokalizált stabil részecske, amelyből széttartó mágneses mező indul ki."

„Megmutattuk, miként használhatjuk fel a gyémánt-kvantummagnetometriát a kétdimenziós kvantumos anyagok rejtélyes viselkedésének felderítésére, s ezzel új utakat nyitottuk e kutatási területen – hangsúlyozta Anthony Tan, a Cavendish Laboratórium munkatársa és a cikk megosztott első szerzője. – Mindig az jelentette a kihívást, hogy hogyan lehetne ezeket a textúrákat a gyengébb mágneses vonzású antiferromágnesekben közvetlen képalkotással megfigyelni, ám mi most a gyémánt és a rozsda remek kombinációjával megoldottuk ezt a problémát."

Mire használható a gyakorlatban a felfedezés?

A tanulmány nemcsak általánosságban világít rá a gyémánt-kvantummagnetometria nyújtotta lehetőségekre, de konkrétan megmutatja, hogy

Ha sikerülne őket irányítanunk, ezekből a mágneses mezőként megmutatkozó örvényes textúrákból szupergyors és energiahatékony számítógépes áramköröket lehetne építeni.