Tornada elektronów imitują poszukiwane zjawisko magnetyczne
MAGNESY Są NOTORYCZNIE niesamodzielne. Spróbuj rozdzielić północny i południowy koniec magnesu, a każda część otrzyma swój własny zestaw dwóch biegunów. Naukowcy od dawna poszukują samotnego bieguna północnego lub południowego – pojedynczej cząstki niosącej wyłącznie dodatni lub ujemny ładunek magnetyczny. Chociaż takie „monopole magnetyczne” wciąż pozostają nieuchwytne, niektórzy zaczęli szukać wirtualnych monopoli – wiązek elektronów, które zachowują się jak pojedyncze ładunki magnetyczne.
„Używamy karty kreatywności dla fizyki materii skondensowanej […], aby przedefiniować schematy” – mówi Mete Atatüre, fizyk z University of Cambridge. W artykule opublikowanym w „Nature Materials” Atatüre i jego współpracownicy opisali po raz pierwszy zaobserwowane bezpośrednio monopole magnetyczne, które naturalnie pojawiają się w wyniku kolektywnego zachowania elektronów. Naukowcy mają nadzieję, że pewnego dnia obiekty te umożliwią bardziej energooszczędną niż dzisiejsze metodę przechowywania informacji w komputerach.
Elektrony w ciałach stałych zachowują się niczym maleńkie magnesy sztabkowe – natężenie i orientacja ich pól magnetycznych są określone przez kwantową cechę zwaną spinem, który działa jak igła atomowego kompasu. Spiny wielu sąsiadujących ze sobą elektronów mogą tworzyć określone układy, które wyglądają jak pojedyncze obszary o dodatnim lub ujemnym ładunku magnetycznym. Przez ostatnie 15 lat naukowcy poszukiwali takich przypominających monopole układów, które pojawiają się naturalnie w różnych materiałach, ale zgromadzili jedynie pośrednie dowody.
W swoich badaniach Atatüre i jego zespół zastosowali nową metodę detekcji, która umożliwia pomiar tego, w jaki sposób niewielkie pola magnetyczne zmieniają spin pojedynczego elektronu na cienkim ostrzu diamentu. Naukowcy przesuwali detektor po próbce hematytu (głównego składnika rdzy) wielkości piega, aby stworzyć mapę struktury spinów elektronów na jego powierzchni. Zmieniając temperaturę próbki, ze zdziwieniem odkryli, że spiny spontanicznie organizują się w wiry, które działają jak monopole magnetyczne – pojedyncze ładunki dodatnie lub ujemne pozbawione partnerów.
„Pomiary wchodzących i wychodzących pól magnetycznych są niesamowite – mówi Ludovic Jaubert, fizyk teoretyczny z Université de Bordeaux, który bada monopole w innych materiałach. – Gdy można obserwować takie rzeczy naocznie, znacznie łatwiej jest nimi operować, prowadząc dalsze badania”.
Odkryte cechy nie rozwiązują odwiecznej tajemnicy, czy bieguny magnesu da się zasadniczo rozdzielić, ale i tak mogą okazać się cenne. Naukowcy zaproponowali, że piruety spinów elektronów można wykorzystać do kodowania i przesyłania informacji w komputerach efektywniej niż z zastosowaniem obecnych metod, które zazwyczaj opierają się na ładunkach elektrycznych. Przemieszczanie i podtrzymywanie takich ładunków wymaga więcej energii. Jak mówi Jaubert, odkrycie „kwantowych tornad” jest ważnym krokiem w kierunku elektroniki nowej generacji. „To jest naprawdę piękne”.