Физики смоделировали трехмерную среду, в которой возможно существование и свободное распространение магнитных квазимонополей. Они показали, что перемещением этих квазичастиц можно управлять с помощью магнитного поля. Проведенная симуляция может стать важным шагом в реализации устройств магнетроники, работа которых основана на токах магнитных зарядов.

Исследование опубликовано в журнале npj Computational Materials.

Магнитными монополями называют гипотетические частицы, которые играют ту же роль в магнетизме, что и более привычные, электрические заряды в электричестве. Иными словами, они несут ненулевой магнитный заряд и этим отличаются от обычных магнитов, обладающих и северным, и южным полюсами (магнитные диполи). Магнитных монополей нет в классической электродинамике, однако они естественным образом появляются в квантовой теории поля. Это дает надежду многим физикам однажды найти их, однако этого пока не произошло.

Вместе с тем физики научились создавать квазичастицы, которые по своему поведению очень похожи на магнитные монополи. В частности, они появляются в спиновом льде — решетке, составленной из тетраэдров, в четырех вершинах которого расположены атомные спины и, соответственно, связанные с ними магнитные дипольные моменты. В состоянии с наименьшей энергией два из них «смотрят» внутрь тетраэдра, а два — наружу. Элементарное возбуждение такой системы заключается в перевороте одного из спинов, в результате чего возникает пара нескомпенсированных магнитных зарядов. Эти возмущения могут отдаляться друг от друга, оставляя за собой цепочки магнитных дипольных моментов (струны Дирака), за что они получили название магнитных квазимонополей.

Их прямое использование, однако, осложняется хрупкостью состояния, в котором создаются эти квазичастицы. В частности, это требует довольно низких температур. Чтобы преодолеть эту сложность, физики стали исследовать искусственные спиновые льды, в том числе двумерные, где в вершинах расположены не атомы, а магнитные наноостровки. В таких системах удалось наблюдать магнитные квазимонополи, однако их подвижность была ограничена из-за того, что с ростом длины в струнах Дирака накапливалась энергия. Поэтому физики продолжают поиск удобных с практической точки зрения материалов, в которых такие квазичастицы могли бы распространяться свободно и во всех измерениях.

Одной из таких работ стало исследование группы австрийских физиков под руководством Дитера Зюсса (Dieter Suess) из Венского университета.