Более 150 лет назад выдающийся физик и математик Джеймс Клерк Максвелл выдвинул смелую гипотезу. Он предположил, что при определенных условиях невращающиеся ферромагнетики — материалы, способные к спонтанному намагничиванию, такие как железо или неодим, — будут проявлять свойства, присущие гироскопам. Гироскоп — это устройство, сохраняющее свою ориентацию в пространстве благодаря закону сохранения углового момента, и обычно он представляет собой быстро вращающийся объект. Максвелл же теоретически обосновал, что подобный эффект может возникать и без механического вращения, за счет внутренней взаимосвязи между магнитным полем материала и его угловым моментом.
Несмотря на то что эта идея будоражила умы физиков на протяжении десятилетий и была предметом многочисленных теоретических изысканий, экспериментально доказать ее существование до недавнего времени не удавалось. Проблема заключалась в чрезвычайной сложности наблюдения столь тонкого эффекта, который легко маскируется внешними воздействиями, пишет Phys.org.
Прорыва удалось достичь международной группе ученых из Института фотоники и нанотехнологий IFN-CNR и Фонда Бруно Кесслера в Италии. В своем исследовании они представили убедительные доказательства правоты Максвелла. В параллельном направлении работала и группа из Германии в рамках общего проекта LEMAQUME, что придало открытию дополнительный вес.
Суть эксперимента заключалась в создании идеальных условий для наблюдения. Ученые использовали крошечную сферу из сплава на основе неодима — одного из самых мощных материалов для постоянных магнитов. Диаметр этой сферы составлял всего 40 микрометров, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса. Именно малый масштаб оказался ключевым фактором успеха, так как для макроскопических объектов эффект практически неразличим.
Магнитную сферу поместили в сверхпроводящую магнитную ловушку над поверхностью сверхпроводника. Благодаря эффекту Мейснера, который заключается в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника, сфера оказалась в состоянии устойчивой левитации — она парила в пространстве, не касаясь никаких поверхностей и будучи полностью изолированной от внешней механической вибрации.
Когда левитирующий магнит выводили из состояния равновесия, он начинал совершать колебания подобно маятнику. Однако ученые зафиксировали нечто удивительное: при колебаниях в одном направлении сфера одновременно начинала отклоняться и в перпендикулярном. В результате ее кончик описывал не дугу, а характерную эллиптическую траекторию.
«Гироскопический эффект заключается в том, что когда частица колеблется в одном направлении, она также отклоняется в перпендикулярном направлении, что приводит к необычной эллиптической траектории», — поясняет один из авторов работы Андреа Винанте.
Отклонение вызвано внутренним, «скрытым» вращательным движением ферромагнетика. Оно возникает из-за того, что магнитный момент материала неразрывно связан с угловым моментом электронов, спины которых выстроены в одном направлении. По сути, это квантово-механический аналог того, почему быстро вращающийся волчок не падает, а начинает совершать медленное круговое движение — прецессию.
Открытие имеет колоссальное значение не только для фундаментальной науки, но и для прикладных технологий. Специалисты изначально ставили перед собой цель создать сверхчувствительный датчик магнитного поля. Принцип его работы схож с атомными магнитометрами, но потенциал чувствительности значительно выше. Такие устройства могут произвести революцию в медицине, геологии и системах навигации.
В будущем ученые намерены миниатюризировать экспериментальную установку до размеров микрочипа. Это позволит левитировать еще более мелкие магниты, в поведении которых, как ожидается, начнут доминировать квантовые эффекты. Новая платформа откроет уникальные возможности как для создания сверхточных сенсоров, так и для фундаментальных исследований на стыке классического и квантового миров.
Ранее ученые создали революционный прибор для съемки сверхбыстрых явлений. Подробнее о принципах его работы рассказали в другом материале Hi-Tech Mail.