Розлучення знань Північного та Південного полюсів

Оновлено: 28.01.19 - 00:44

південного

У незвичному матеріалі закон природи, згідно з яким магнітні полюси з'являються лише парами, здається, не застосовується. Берлінські фізики виявляють монополі в спіновому льоду. Від Крістіана Мейєра

Від Крістіана Мейєра

Десятиліттями фізики шукали те, чого, згідно з уроками в школі, не існує: магнітний полюс, який обходиться без аналога; Отже, північний полюс без південного полюса або навпаки. На думку фізиків-теоретиків, такі одинаки, так звані магнітні монополі, могли виникнути під час Великого вибуху.

Але пошук монополії досі не був успішним. Навіть покійний фізик Пол Дірак, який передбачав існування магнітних монополів у 1930-х роках, на початку 1980-х років відмовився від віри в окремі північні та південні полюси.

Не так фізик Родеріх Месснер з Інституту фізики складних систем Макса Планка в Дрездені. Минулого року він та його колеги Клаудіо Кастельново з Оксфордського університету та Шиваджі Сондхі з Принстонського університету в США в минулому році запропонували журналу Nature шукати магнітні монополи в незвичних кристалах, відомих як спіновий лід. Три фізики стверджували, що він мав такі незвичайні магнітні властивості, що всередині нього утворювались магнітні монополі.

Наразі берлінська дослідницька група показала, що тріо мало рацію: за допомогою нейтронних пучків вони продемонстрували монополи в речовині титанат диспрозію - спіновий лід. Про це повідомляють дослідники, що працюють з Девідом Моррісом з Берлінського центру Гельмгольца (HZB) у журналі Science.

Як доріжка на снігу

Щоб довести монополію, вони направили нейтрони з Берлінського дослідницького реактора на HZB через матеріал. Оскільки нейтрони є магнітними, вони відхиляються магнітними полями всередині твердого тіла. Напрямок відхилення залежить від структури цих полів - так можна виміряти магнетизм зразка. Мосснер та його колеги передбачали, що північний та південний полюси спінового льоду сформуються в безпосередній близькості один від одного, а потім віддаляться один від одного. Вони вільно і незалежно один від одного рухались крізь кристал.

Шлях, який вони проходять, залишається впізнаваним у вигляді магнітного поля, як доріжка на снігу. Цю лінію магнітного зв'язку між монополями продемонстрували обидві дослідницькі групи за допомогою нейтронів, що є доказом самих монополів.

Історія магнітних монополів сягає приблизно 150 років. У період з 1861 по 1864 рік британський дослідник Джеймс Клерк Максвелл сформулював теорію електромагнетизму. Він показав, що електрика і магнетизм є взаємозалежними явищами. Вони доповнюють одне одного, як інь і ян далекосхідної філософії. Але гармонія не ідеальна.

Протилежності в електриці, негативні та позитивні електричні заряди сидять на різних частинках; одні на електронах, інші на протонах. Частинки можуть бути просторово відокремлені одна від одної, наскільки це бажано, і спостерігатись окремо. Тому вони представляють електричні монополі, і в світі магнетизму для цього немає аналога. Наскільки нам відомо сьогодні, не існує магнітних елементарних частинок, які мали б північний або південний полюс.

Перші магнітні одинаки

Відкриття монополів у спіновому льоду нічого не змінює. Тому що це не доводить, що існують і монополії поза матеріалом. Мосснер розглядає спін-лід скоріше як своєрідний Всесвіт у піщинці, в якому існують явища, яких не вистачає у решті світу.

"Монополі є результатом складної взаємодії між електронами та атомами в унікальній кристалічній структурі спінового льоду", - говорить Месснер. Вони порівнянні з водними хвилями, які виникають внаслідок колективних рухів великої кількості молекул води.

Хоча монополі не можуть існувати незалежно від спінів та атомів у спіновому льоду, вони поводяться як вільно рухаються, тобто незалежні частинки, які несуть або магнітний північний або південний полюс. Отже, вони є так званими квазічастинками, але не елементарними частинками.

Монополі, що розкручуються, все ж можна оцінити як успіх пошуку монополії. Вони є першими виявленими магнітними одинаками. І нарешті, у фізиків в руках справжні монополії, які вони можуть досліджувати експериментально. Роблячи це, вони також можуть дізнатися щось про гіпотетичну космічну монополію - наприклад, - що відбувається, коли вони зустрічаються.