Магнитные монополи (magnetic monopole) и связанные с ними струны Дирака удалось визуализировать и заснять через микроскоп команде учёных из швейцарского института Пауля Шеррера (PSI) и университетского колледжа Дублина (UCD).

С тех пор как исследователи смогли получить давно предсказанные монополи в охлаждённом спиновом льду и открыли магнитричество, учёные в разных университетах и институтах не прекращали попытки создания монополей в более приемлемых условиях (при комнатной температуре).

Выход был найден в виде искусственного спинового льда — двухмерной гексагональной решётки из наномагнитов, чья взаимная ориентация и, главное, изменения в ней создавали подвижные магнитные дефекты, идентичные монополям.

Рис. 1. Участники нового исследования около части установки и в ходе обсуждения результатов. Сверху вниз и слева направо: Елена Менготти (Elena Mengotti), Фритхйоф Нолтинг (Frithjof Nolting), Ханс-Бенджамин Браун (Hans-Benjamin Braun) и Лора Хейдерман (Laura Heyderman) (фото PSI/M. Fischer).

Теперь физики воспользовались синхротроном Swiss Light Source, чтобы напрямую увидеть различия в намагниченности частиц в таком «льду». Для опыта они подготовили решётку из магнитов размером 500 х 150 нанометров каждый. В исходном состоянии в ней чередовались узлы, в которых два северных полюса встречаются с южным и, напротив, два южных с северным. Затем при помощи внешнего поля намагниченность одной из частиц менялась на противоположную.

В этом месте в магнитной структуре материала возникала пара дефектов, ведущих себя как монополи. Эти монополи по мере усиления внешнего воздействия начинали разбегаться в стороны, оставляя между собой связь в виде цепочки частиц с обращённой полярностью. Фактически лавинообразное перемагничивание, похожее на падение фишек домино, создавало одномерные линии — струны Дирака. После отключения внешнего поля картина сохранялась: монополи оказывались вмороженными в спиновый лёд.

Рис. 2. Схема монополей в искусственном спиновом льду. Стрелки показывают намагниченность частиц. Острый конец – северный магнитный полюс (и положительный магнитный заряд), хвост – южный. a) – исходное состояние системы. b) – смена намагниченности одной частицы рождает два дефекта – аналоги монополей для данного материала, c,d) – монополи расходятся, между ними появляется струна Дирака, e) – две пары монополей. Снимки эксперимента (показана область 12 х 12 мкм). Тёмные пятна – частицы с обращённой намагниченностью. Ясно видны струны Дирака (иллюстрации PSI, UCD).

По словам участников опыта, это прорыв не только в плане визуализации данного явления, но и в управлении передвижением магнитных зарядов. Новая работа пригодится для прояснения некоторых положений фундаментальной физики. Также авторы эксперимента предсказывают, что на основе подобных систем можно будет создавать устройства для хранения и обработки информации.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Elena Mengotti, Laura J. Heyderman, Arantxa Fraile Rodríguez, Frithjof Nolting, Remo V. Hügli & Hans-Benjamin Braun Real-space observation of emergent magnetic monopoles and associated Dirac strings in artificial kagome spin ice. – Nature Physics. – Published online: 17 October 2010 | doi:10.1038/nphys1794.

По материалам: