Onderzoekers hebben magnetische monopolen (geïsoleerde magnetische ladingen) ontdekt in een materiaal dat nauw verwant is aan roest, een resultaat dat gebruikt zou kunnen worden om groenere en snellere computertechnologieën aan te drijven.

Onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Cambridge gebruikten een techniek die bekend staat als diamantkwantumdetectie om wervelende texturen en zwakke magnetische signalen op het oppervlak van hematiet, een soort ijzeroxide, waar te nemen.

De onderzoekers merkten op dat magnetische monopolen in hematiet ontstaan ​​door het collectieve gedrag van veel spins (het impulsmoment van een deeltje). Deze monopolen glijden over de wervelende texturen op het oppervlak van het hematiet als kleine hockeypucks met magnetische lading. Dit is de eerste keer dat in de natuur voorkomende opkomende monopolen experimenteel zijn waargenomen.

Het onderzoek heeft ook het directe verband aangetoond tussen de voorheen verborgen wervelende texturen en de magnetische ladingen van materialen als hematiet, alsof er een geheime code bestaat die ze met elkaar verbindt. De resultaten, die nuttig zouden kunnen zijn bij het mogelijk maken van logica- en geheugentoepassingen van de volgende generatie, worden gerapporteerd in het tijdschrift Nature Materials .

Volgens de vergelijkingen van James Clerk Maxwell, een reus van de natuurkunde uit Cambridge, moeten magnetische objecten, of het nu een koelkastmagneet is of de aarde zelf, altijd bestaan ​​als een paar magnetische polen die niet geïsoleerd kunnen worden.

"De magneten die we dagelijks gebruiken hebben twee polen:noord en zuid", zegt professor Mete Atatüre, die het onderzoek leidde. "In de 19e eeuw werd aangenomen dat monopolen zouden kunnen bestaan. Maar in een van zijn fundamentele vergelijkingen voor de studie van elektromagnetisme was James Clerk Maxwell het daar niet mee eens."

Atatüre is hoofd van Cambridge's Cavendish Laboratory, een functie die ooit door Maxwell zelf werd bekleed. "Als er monopolen zouden bestaan, en we zouden ze kunnen isoleren, zou dat hetzelfde zijn als het vinden van een ontbrekend puzzelstukje waarvan werd aangenomen dat het verloren was gegaan", zei hij.

Ongeveer vijftien jaar geleden suggereerden wetenschappers hoe monopolen in magnetisch materiaal konden bestaan. Dit theoretische resultaat was gebaseerd op de extreme scheiding van de noord- en zuidpool, zodat elke pool plaatselijk geïsoleerd leek in een exotisch materiaal dat spinijs wordt genoemd.

Er is echter een alternatieve strategie om monopolen te vinden waarbij gebruik wordt gemaakt van het concept van opkomst. Het idee van opkomst is de combinatie van vele fysieke entiteiten die aanleiding kunnen geven tot eigenschappen die meer zijn dan of verschillen van de som der delen.

In samenwerking met collega's van de Universiteit van Oxford en de Nationale Universiteit van Singapore gebruikten de Cambridge-onderzoekers opkomst om monopolen bloot te leggen die verspreid waren over de tweedimensionale ruimte en over de wervelende texturen op het oppervlak van een magnetisch materiaal zweefden.

De wervelende topologische texturen zijn te vinden in twee hoofdtypen materialen:ferromagneten en antiferromagneten. Van deze twee zijn antiferromagneten stabieler dan ferromagneten, maar ze zijn moeilijker te bestuderen omdat ze geen sterke magnetische signatuur hebben.

Om het gedrag van antiferromagneten te bestuderen, gebruiken Atatüre en zijn collega's een beeldvormingstechniek die bekend staat als diamantkwantummagnetometrie. Deze techniek maakt gebruik van een enkele spin (het inherente impulsmoment van een elektron) in een diamantnaald om het magnetische veld op het oppervlak van een materiaal nauwkeurig te meten, zonder het gedrag ervan te beïnvloeden.

Voor de huidige studie gebruikten de onderzoekers de techniek om naar hematiet te kijken, een antiferromagnetisch ijzeroxidemateriaal. Tot hun verbazing ontdekten ze verborgen patronen van magnetische ladingen in hematiet, waaronder monopolen, dipolen en quadrupolen.

"Monopolen waren theoretisch voorspeld, maar dit is de eerste keer dat we daadwerkelijk een tweedimensionale monopool in een natuurlijk voorkomende magneet hebben gezien", zegt co-auteur professor Paolo Radaelli van de Universiteit van Oxford.

"Deze monopolen zijn een collectieve toestand van vele spins die rond een singulariteit draaien in plaats van om een ​​enkel vast deeltje, dus ontstaan ​​ze door interacties met meerdere lichamen. Het resultaat is een klein, gelokaliseerd stabiel deeltje met een divergerend magnetisch veld dat eruit komt", zegt hij. zei co-eerste auteur Dr. Hariom Jani, van de Universiteit van Oxford.

"We hebben laten zien hoe diamant-kwantummagnetometrie kan worden gebruikt om het mysterieuze gedrag van magnetisme in tweedimensionale kwantummaterialen te ontrafelen, wat nieuwe onderzoeksgebieden op dit gebied zou kunnen openen", zegt co-eerste auteur Dr. Anthony Tan van het Cavendish-laboratorium. "De uitdaging is altijd geweest om deze texturen in antiferromagneten direct in beeld te brengen vanwege hun zwakkere magnetische aantrekkingskracht, maar nu zijn we in staat dit te doen met een mooie combinatie van diamanten en roest."

De studie benadrukt niet alleen het potentieel van diamantkwantummagnetometrie, maar onderstreept ook het vermogen ervan om verborgen magnetische verschijnselen in kwantummaterialen bloot te leggen en te onderzoeken. Indien gecontroleerd, kunnen deze wervelende texturen gekleed in magnetische ladingen supersnelle en energiezuinige computergeheugenlogica aandrijven.

Meer informatie: Mete Atatüre et al., Onthulling van opkomende magnetische lading in een antiferromagneet met diamantkwantummagnetometrie, Natuurmaterialen (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01737-4. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2303.12125

Journaalinformatie: Natuurmaterialen , arXiv

Aangeboden door Universiteit van Cambridge