О движении электрических зарядов и образуемом ими токе знают все. С передвижениями магнитных зарядов дела до недавнего времени обстояли несколько сложнее – учёные не могли детектировать ни сами магнитные монополи, ни их транспорт. Однако недавно американцам всё же удалось увидеть магнитричество в эксперименте.

У каждого магнита, как известно, два полюса (северный и южный). И сколько бы физики его ни делили, каждый его кусочек (вплоть до единичного атома) будет обладать двумя полюсами. Однако теоретики предсказывали, что существуют магнитные монополи (magnetic monopole) – квазичастицы, несущие на себе только положительный или только отрицательный магнитный заряд. Они не связаны в пары и могут передвигаться по отдельности.

Пока магнитричество удалось поймать
только в кристаллах определённого рода,
которые учёные обобщённо называют
спиновым льдом – spin ice

Долгое время учёные разных стран пытались поймать таинственные магнитные монополи. В сентябре нынешнего года им это наконец удалось. Для этого исследователи направили на кристалл спинового льда, охлаждённого до ультранизкой температуры, нейтроны. Поведение элементарных частиц показало – в материале действительно присутствуют магнитные монополи.

Тогда же другая группа учёных представила свои достижения в виде препринта статьи на сайте arXiv.org. Теперь они выпустили полноценную статью в Nature, в которой рассказали о строении системы, позволяющей фиксировать передвижение магнитных монополей. Работа проводилась под руководством Стивена Брамвелла (Steven Bramwell) из Лондонского центра нанотехнологий.

Британцы не только впервые определили «количество» магнитного заряда, но и измерили магнитный аналог электрического тока. Движение и взаимодействие монополей они назвали «магнитричеством» (magnetricity).

Вместо нейтронов Брамвелл и его коллеги использовали мюоны (muon) – неустойчивые элементарные частицы, которые можно было бы назвать короткоживущими братцами электронов.

Внедрив их в спиновый лёд, физики наблюдали за распадом мюонов и эмиссией образующихся при этом позитронов. Направление движения последних рассказало исследователям о магнитном поле внутри кристалла. В результате учёные установили, что магнитные монополи не просто существуют, но ещё и движутся, образуя магнитный ток.

На картинке слева: в отсутствие поля магнитные заряды связаны в пары, но некоторые из них всё же диссоциируют, образуя флуктуирующие магнитные моменты (зелёная стрелка). На рисунке справа: при приложении поля некоторые «разбежавшиеся» магнитные заряды остаются врозь, однако часть образует связанные пары для восстановления равновесия. Из-за колеблющихся магнитных моментов, определяемых свободными зарядами, появляются локальные поля, которые можно детектировать с помощью внедрённых мюонов (μ⁺) (иллюстрация Nature)

Британцы определили, что заряд магнитного монополя равен 5 μB·Å^-1 (магнетонам Бора на ангстрем). Кстати, теория давала очень близкое значение: 4,6μB·Å^-1. Отметим, что в отличие от фиксированного электрического заряда магнитный может меняться в зависимости от давления и температуры кристалла спинового льда.

Стивен считает, что в будущем магнитные монополи могут быть использованы для создания более компактной компьютерной памяти (так как один монополь соизмерим с отдельным атомом). «Мы пока делаем лишь первые шаги, но кто знает, в каком виде магнитричество будет использовано человечеством лет эдак через сто», — говорит Брамвелл в пресс-релизе Лондонского центра нанотехнологий.