Магниты, как известно, взаимозависимы. Попробуйте разделить северный и южный концы магнита, и каждая половина получит свой собственный новый набор из двух полюсов. Ученые долгое время искали одинокий северный или южный полюс — отдельную частицу, несущую исключительно положительный или отрицательный магнитный заряд.
Хотя такие “магнитные монополи” остаются неуловимыми, некоторые начали поиск виртуальных — скоплений электронов, которые ведут себя как одиночные магнитные заряды.
Вместо поиска отдельных частиц “мы используем карту креативности, которая есть у нас в физике конденсированных сред... чтобы переопределить новые строительные блоки”, - говорит Мете Ататюре, физик из Кембриджского университета.
В исследовании, опубликованном в Nature Materials, Ататюре и его коллеги зафиксировали первое прямое наблюдение магнитных монополей, которые естественным образом возникают в результате коллективного поведения электронов. Исследователи надеются, что однажды эти объекты смогут обеспечить более энергоэффективный метод хранения компьютерной информации.
Электроны в твердых материалах ведут себя как крошечные стержневые магниты; сила и ориентация их магнитных полей определяются квантовым свойством, называемым спином, которое действует подобно стрелке атомного компаса.
Работая согласованно, спины многих соседних электронов могут образовывать особые структуры, которые выглядят как изолированные области положительного или отрицательного магнитного заряда. В течение последних 15 лет ученые искали эти моноподобные особенности, проявляющиеся в различных материалах, но собрали лишь косвенные доказательства.
В новом исследовании Ататюре и его команда использовали новый метод зондирования, который измеряет, как крошечные магнитные поля изменяют вращение одного электрона на тонкой грани алмаза. Они провели своим детектором по образцу гематита размером с веснушку, основного компонента ржавчины, чтобы отобразить текстуру электронных спинов на его поверхности.
Изменяя температуру образца, они с удивлением обнаружили, что спины самопроизвольно организовались в вихревые формы, которые действовали как магнитные монополи — одиночные положительные или отрицательные заряды без партнеров.
“Измерения этих входящих и исходящих магнитных полей поразительны”, - говорит Людовик Жобер, физик-теоретик из Университета Бордо, который изучает особенности монополя в других материалах. “Как только вы сможете визуально увидеть эти вещи, гораздо легче манипулировать [ими] для дальнейшего изучения”.
Эти новые особенности не решают непреходящую загадку о том, могут ли полюса магнита быть фундаментально разделены, но они все равно могут оказаться ценными.
Ученые предположили, что вращающиеся спины электронов могут быть использованы для кодирования и передачи информации в компьютерах более эффективно, чем современные методы, которые обычно основаны на электрических зарядах, для перемещения и поддержания которых требуется больше энергии.
Наконец, обнаружение этих квантовых торнадо является важным шагом на пути к созданию электроники нового поколения, говорит Яуберт. “Это действительно довольно красиво”.