З приводу магнітних монополів

0
3

За різними ЗМІ пробігла новину про відкриття магнітних монополів у спиновом льоду. Людини, трошки стежить за новинами у фізиці, вона при швидкому читанні може збити з пантелику («Невже монополи, за якими полювали десятиліттями, нарешті відкриті?!»). Мені здалося корисним пояснити, що насправді там було зроблено, і підкреслити з приводу цієї новини декілька речей.

Що виявлено?

Насамперед, мова тут звичайно не йде про відкриття магнітного монополя як окремої елементарної частинки. Такі частинки як були, так і залишаються гіпотетичними об’єктами; чи існують вони в природі, чи ні-невідомо.

Те, що експериментально виявлено відразу в декількох роботах (див. посилання в кінці посту) — це колективні електронні збудження в особливих магнітних середовищах, виглядають мезоскопически (тобто на відстанях багато більше атомних) немов магнітні монополи.

В принципі, у повідомленнях ЗМІ це теж написано, але тільки навіщо-то замітки там починаються зі слів про справжні монополи Дірака і іноді про їх пошуки, а потім переходять до нових робіт. Це збиває з пантелику.

Звідки взялися монополи?

Тепер проста картинка, допомагає візуально уявити собі ці монополи.

Що таке магнітний монополь? Це «магнітний заряд», тобто магнітний аналог ізольованого електричного заряду. Тобто такий об’єкт, від якого радіально розходяться силові лінії магнітного поля, причому магнітне поле спадає з відстанню за законом Кулона 1/r^2.

Якийсь віддалений аналог магнітного монополя добре відомий тим, хто хоч трошки знає про магнетизм — це доменні стінки, що розділяють домени у ферромагнетиках, а ще краще — в феромагнітному дротом (див. наприклад картинку до цієї новини). У неї (стінку) теж з обох сторін втупляються лінії магнітного поля (якщо звичайно не стежити далі, що відбувається з полем всередині самої стінки). Тільки доменна стінка двовимірна, а монополь — точковий.

Як такі монополи можна створити? Уявіть собі ланцюжок з атомів, що володіють ненульовими спинами (а спини електронних оболонок атомів як раз і породжують магнетизм). Можна влаштувати взаємодією між спинами так, щоб у нормальному стані всі спини в ланцюжку дивилися один одному в потилицю:
….o→o→o→o→o→o→o→o….
Така ланцюжок породжує більш-менш однорідне (уздовж ланцюжка) магнітне поле; вона виглядає зразок тонкого і довгого соленоїда. Якщо ж тепер розгорнути спини в деякій області, то вийде така структура:
….o→o→(-)←o←o←(+)→o→o….
Тобто атомів, на яких відбувається розворот напрямку, можна зіставити позитивний і негативний магнітний заряди — тобто ділянка «неправильної» орієнтації спінів обмежений з друх сторін «магнітними зарядами».

Це, в принципі, нормально, в такій ситуації ще ніхто не говорить про спостереження монополів — адже у нас є ланцюжок, і є її кінці. Ситуація змінюється, якщо у нас є матеріал, який (з магнітною точки зору) цілком складається з переплетення таких ланцюжків, магнітне поле від яких в середньому компенсується. Тоді якщо в якийсь із ланцюжків виникне «неправильний» ділянку, то його кінці — магнітні заряди — будуть помітні, а сама ланцюжок — ні. Тобто буде здаватися, що в речовині віддалік один від одного розташовані два протилежних магнітних заряду.

І тепер останній крок — взаємодія між електронами в цьому матеріалі повинно бути влаштовано так, щоб ланцюжок не стримувала ці магнітні заряди, щоб вона дозволяла їм без проблем віддалятися на будь-яку відстань. І при бажанні перестрибувати в іншу ланцюжок. Тобто щоб «одного полюса магніту» перестали бути зв’язаними один з одним (хоча обидва полюси, звичайно, десь присутні в зразку). Ось тоді-то можна вже говорити про окремо подорожують по кристалу позитивні і негативні магнітні заряди. Саме такі окремі «магнітні дефекти» кристала і були виявлені в експерименті.

Різні коментарі

Що тут такого нетривіального? Нетривіально було знайти таку речовину, в якому є такі збудовані і переплетені один з одним спінові ланцюжка. При цьому речовина не має спонтанно намагнічуватися. Більше того-в цьому речовині у спінів повинна бути деяка «свобода перевороту», якщо сусідній спін перекинувся. І нарешті взаємодія між електронами не повинно бути надто жорстким, воно повинно дозволяти спинами перевертатися, а магнітним зарядам віддалятися один від одного.

Все це вдалося реалізувати в матеріалі, називаному спіновою льодом. З одного боку, такий матеріал (при низьких температурах, звичайно) має цілком чіткої кристалічної гратами. Але з іншого боку, там є чотири рівноправних вільних спина на кожному вузлі — два дивляться всередину, два назовні. Така конфігурація припускає кілька різних орієнтацій, що дуже схоже на орієнтацію молекул води в звичайному льоді. Саме таке більша різноманітність енергетично еквівалентних орієнтацій і надає спинах свободу перевороту.

Такого типу явище, до речі, у фізиці називається гарним словом фрустрація, а самі матеріали — фрустрованими.

До речі, необхідною умовою тут є наявність досить великої кількості «вільних» спінів у зовнішній електронній оболонці атомів. Це пояснює, чому до складу з’єднань входять f-елементи, наприклад, диспрозій в Dy2Ti2O7.

Ще зауважу, що така ситуація — переплетення і навіть конденсат «невидимих» струн, у яких видні тільки їхні кінчики — вже давно розглядається у різних розділах фізики. Є навіть спроби описати так справжні елементарні частинки (див. новина Запропоновано новий погляд на природу елементарних частинок).

Ще підкреслю ось що. Є думка, що фізика конденсованого речовини не дуже фундаментальна — типу, все в ній складається з ядер і електронів, і ніяких принципово нових частинок там немає. Так от, велике відкриття у фізиці конденсованої речовини полягає в тому, що колективна поведінка взаимодействущих і заважають один одному частинок призводить до об’єктів («квазичастицам») з абсолютно екзотичними властивостями, іноді взагалі неможливо реалізувати на рівні окремих елементарних частинок. Це, наприклад, квазічастинки з дробовим електричним зарядом в квантовий ефект Холла, це «безмассовые» електронні збудження в графені, це розщеплення заряду і спина електрона на дві квазічастинки, і т. п. Зараз сюди додався до «магнітний монополь» в конденсованих середовищах. В цьому сенсі — за багатством самовозникающих об’єктів — з фізикою конденсованих середовищ не зрівняється ніякий інший розділ фізики.

Ну і останнє. Я нещодавно, коли описував практичну користь від теоретичної фізики елементарних частинок, наводив такий приклад: деякі колективні збудження на поверхні кристала нагадують аксіони — ще один клас гіпотетичних частинок. «Колективні магнітні монополи» теж чудово вписуються в цю групу — об’єкти, які нагадують гіпотетичні елементарних частинок, але реалізуються у вигляді колективних збуджень. Це зайвий раз підкреслює, що абстрактні теоретичні розробки у фізиці елементарних частинок можуть знайти застосування в конденсованих середовищах.

Посилання

Ідея про те, що в спиновом льоду дійсно може відбуватися розв’язання диполів на вільно блукають монополи:

  • C. Castelnovo, R. Moessner, S. L. Sondhi, Magnetic monopoles in spin ice, Nature 451, 42-45 (2007). Стаття доступна в архіві епринтов: arXiv:0710.5515.
Чотири статті 2009 року з наглядом магнітних монополів як окремих магнітних дефектів кристала
  • D. J. P. Morris et al, Dirac Strings and Magnetic Monopoles in Spin Ice Dy2Ti2O7, Science DOI: 10.1126/science.1178868 (published Online September 3, 2009).
  • T. Fennell et al, Magnetic Кулонівських Phase in the Spin Ice Ho2Ti2O7, Science DOI: 10.1126/science.1177582 (published Online September 3, 2009). Препринт статті доступний як arXiv:0907.0954.
  • H. Kadowaki et al, Observation of Magnetic Monopoles in Spin Ice, eprint arXiv:0908.3568 [cond-mat], 25 August 2009.
  • S. T. Bramwell et al, Magnetic Charge Transport, eprint arXiv:0907.0956 (6 July 2009).
Популярні англомовні примітки: Magnetic monopoles spotted in spin ices (PhysicsWorld.com), ‘Overwhelming’ evidence for monopoles (Nature News).

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here