Monopol magnetyczny Diraca

Monopol magnetyczny DiracaOriginal Press Release
Podstawowymi elementami każdego magnesu – chociażby takiego jak w kompasie – są jego dwa bieguny magnetyczne, popularnie określane północnym i południowym, tworzące dipol magnetyczny.

Zespół ILL skoncentrował swe badania na należącym do rodziny lodów spinowych materiale Ho2Ti2O7, w którym, według przedstawionej w styczniu 2008 na łamach Nature analizy mogą powstawać monopole magnetyczne. Magnetyczna konfiguracja momentów dipoli otaczających atomy w lodzie spinowym porządkuje się w sposób przypominający ułożenie protonów w lodzie wodnym (stąd nazwa materiałów), gdzie dwa spiny skierowane są do wewnątrz a dwa na zewnątrz czworościanu w obrębie struktury spinowej kryształu. Monopol powstaje w wyniku odwrócenia indywidualnych spinów co pozwala na przemieszczanie się indywidualnych pól magnetycznych – monopoli.

Wykorzystując spolaryzowany spektrometr neutronowy D7, będący unikalnym narzędziem pozwalającym na badanie układów w słabo uporządkowanych materiałach magnetycznych i wyizolowanie słabych sygnałów magnetycznych w silnie rozproszonym nuklearnie sygnale zespół stworzył mapę korelacji magnetycznych H2o2Ti2O7. Spektrometr D7 został niedawno zmodernizowany dzięki programowi ILL Millennium Programme zwiększając szybkość detekcji ponad 70-krotnie co umożliwia wykrycie i badanie jeszcze drobniejszych sygnałów. To umożliwiło dostrzeżenie małych zaburzeń w uporządkowaniu dipoli magnetycznych w lodzie spinowym wskazujących na obecność magnetycznych monopoli.

Zasady ograniczające strukturę magnetyczną lodu spinowego są analogiczne jak te dla faz Coulomba. Zatem oczekuje się, że wzbudzenie niszczące te reguły tworzy efektywnie monopole. Pomiary charakterystycznych punktów spięcia (pinch points) wykonane za pomocą D7 potwierdziły obecność takiej magnetycznej fazy Coulomba. W fazie podstawowej – gdy nie są obecne monopole – punkty te są bardzo wyraźnie ostre. Jednak po ogrzaniu materiału do 1K poprzez charakterystyczne zaburzenie struktury magnetycznej ukazuje się proces powstawania monopoli – dane neutronowe ukazują rozszerzenia punktów spięcia. Precyzyjna zależność szerokości punktów od temperatury został zmierzona za pomocą trójosiowego spektrometru zimnych neutronów IN12, który jest wspólnym, niemiecko-francuskim instrumentem na ILL wykorzystywanym przez Forschungszentrum Jülich we współpracy z CEA Grenoble. IN12 jest przeznaczony do wysokiej rozdzielczości badań w obszarach niskich energii umożliwiając studia wybranych obszarów energii i momentów w przestrzeni.

Z kolei zespół z Berlińskiego Centrum Materiałów i Energii Helmholtza (HZB) badał występowanie monopoli w tzw łańcuchach Diraca – obiektach występujących w materiałach krystalizujących w formie krat pyrochloranowych, takich jak dysprozium tytanowe, w których możliwe jest powstanie tzw spaghetti spinowego – sieci skręconych rur (łańcuchów), w których dipole są skierowane w głąb materiału transportując strumień magnetyczny  pomiędzy monopolami. Badając materiał za pomocą dyfraktometru monokrystalicznego o płaskim stożku naukowcy wykazali powstanie spaghetti spinowego. Badając materiał za pomocą rozproszonych neutronów naukowcy odkryli także że mogą kontrolować symetrię i orientację łańcuchów pola i liczbę monopoli. W efekcie udało się w przedziale 0,6 do 2 K zaobserwować struny monopoli magnetycznych.

Teoria przewiduje, że monopole magnetyczne mogły powstawać we wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. Ich odkrycie i – przede wszystkim – potwierdzenie będzie niezwykle istotne dla wielu teorii mających na celu stworzenie zunifikowanej teorii łączącej fizykę kwantową z ogólną teorią względności.

Źródła:

Magnetic monopoles: 70 years from prediction to observation

An essential feature of a magnet – for example a compass needle – is two poles, commonly called ‘North’ and ‘South’, after the directions they point to on Earth. If such a magnet is broken into smaller pieces, this combination of two poles (a dipole), inextricably linked to each other, remains in the fragments, and continues with further division all the way down to an atomic level.

However, back in 1931, the theorist Paul Dirac predicted that magnetic poles could exist as separate entities called monopoles. Since then the search for this species has ranged from outer space to high-energy particle colliders without finding any evidence for their existence. 

ILL scientists, working with teams from University College London and Oxford University, report in the journal Science (September 3rd 2009) the first observation of this elusive entity.

Their work focused on Ho2Ti2O7 a member of a family of materials known as ‘spin ices’, in which recent theoretical work had shown magnetic monopoles could exist [cite Nature 451, 42-45 (3 January 2008)  ].  The magnetic configuration of the dipole moments surrounding the atoms in spin ice arrange themselves in a similar way to the proton arrangement  in water ice – hence the name, with two spin pointing in and two spin pointing out of the tetrahedra within the spin ice structure.   A monopole is obtained by flipping an individual spin thus enabling the movement of individual magnetic fluxes, monopoles.

The magnetic correlations in Ho2Ti2O7, were mapped out with the polarised neutron spectrometer D7 at ILL, which provides a unique tool to explore the correlations in poorly ordered magnetic materials and enables weak features to be isolated from the large nuclear scattering.D7 was recently upgraded through the ILL’s Millennium Programme, increasing its detection rate by a factor of at least 70, enabling yet more subtle features to be detected and explored. This enabled small disturbances to be seen in the arrangement of the magnetic dipoles in the spin ice that point to the presence of magnetic monopoles

The rules that constrain the magnetic structure of spin-ices are analogous to those for Coulomb phases in which the interaction energy between particles follow a r-3 dependence. It is therefore expected that excitations that break the constraints create effective monopoles. The  measurements on D7 confirmed the presence of such a magnetic Coulomb phase through the observation of characteristic ‘pinch points’ (Figure 1). In the ground state, where there are no monopoles, the pinch points are very sharp. However, on warming to 1K, the formation of monopoles is revealed through a particular disturbance of the magnetic structure, seen in the neutron data as a broadening of the pinch-points. The precise width of the pinch point temperature dependence was observed on the cold-neutron three-axis spectrometer IN12, which is operated by the Forschungszentrum Jülich in cooperation with the CEA Grenoble as a German/French CRG instrument at the ILL (Figure 2). IN12 is dedicated for   high resolution studies at low energies allowing a detailed investigation of selected areas in energy and momentum space. 

Apart from solving a 70-year magnetic mystery the discovery could have long-term consequences in technology – rather as the discovery of how to manipulate electron spin led to the field of spintronics and the sort of advanced memory technology found in Apple’s iPod.

Professor Andrew Boothroyd a member of the Oxford team and co-author said: ‘It’s perhaps not too far-fetched to imagine that, rather as we can build electrical circuits using positive and negative electrical charge, we might find a way to build magnetic circuits using magnetic monopoles. It might one day lead to new types of memory elements, electrical circuits or sensor devices.’


Magnetische Monopole in magnetischem Festkörper entdeckt

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) haben in Kooperation mit Kollegen aus Dresden, St. Andrews (UK), La Plata (Argentinien) und Oxford (UK) erstmals magnetische Monopole nachgewiesen sowie deren Erzeugung in fester Materie beobachtet. Sie veröffentlichen dies in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Science, die den Beitrag am 3. September als online-Ausgabe vorab publiziert.

Als magnetischen Monopol bezeichnen Physiker hypothetische Teilchen, die nur einen magnetischen Pol tragen, also entweder nur magnetischer Nordpol oder nur magnetischer Südpol sind. In der Welt der Materie ist dies ganz und gar ungewöhnlich, denn normalerweise treten magnetische Teilchen nur als Dipol auf, d. h. Nord- und Südpol gemeinsam. Trotzdem existieren einige Theorien, welche die Existenz von Monopolen als Quelle von Magnetfeldern vorhersagen. Unter anderem hat 1931 der Physiker Paul Dirac aus Berechnungen abgeleitet, dass magnetische Monopole am Ende von sogenannten Dirac-Strings  existieren müssten. Diese kann man sich als Schläuche vorstellen, die das magnetische Feld tragen. Nachgewiesen wurden magnetische Monopole bislang nicht.

Jonathan Morris, Alan Tennant und Kollegen (HZB) führten ein Neutronenstreuexperiment am Berliner Forschungsreaktor durch. Das Untersuchungsmaterial war ein Kristall aus Dysprosium-Titanat. Dieser Stoff kristallisiert in einer ganz bestimmten Geometrie, einem so genannten Pyrochlor-Gitter. Mithilfe der Neutronenstreuung konnten Morris und Tennant zeigen, dass die magnetischen Momente im Inneren des Materials als sogenannte „Spin-Spaghetti“ angeordnet sind. Dieser Name kommt von der Ausrichtung der Dipole, die ein Netzwerk aus gewundenen Röhren (Strings) bilden, durch das der magnetische Fluss transportiert wird. Dies kann man durch die Wechselwirkung mit Neutronen sichtbar machen, da diese selbst ein magnetisches Moment tragen.

Während der Neutronenmessungen haben die Forscher zugleich ein Magnetfeld angelegt. Mit diesem Feld konnten sie die Symmetrie und die Orientierung der Strings beeinflussen. Dadurch wurde es möglich, die Dichte des String-Netzwerks zu reduzieren und die Anzahl der Monopole zu verringern. Als ein Ergebnis wurden bei einer Temperatur von 0,6 bis 2 Kelvin die Strings mit den magnetischen Monopolen an ihren Enden sichtbar.

Die charakteristischen Merkmale dieser magnetischen Monopole wurden ebenso in Messungen der Wärmekapazität an Dysprosium-Titanat, durchgeführt von Bastian Klemke (HZB), beobachtet. Diese liefern eine weitere Bestätigung der Existenz von magnetischen Monopolen und zeigen, dass sie ähnlich wie elektrische Ladungen wechselwirken können.

In dieser Arbeit beweisen die Forscher erstmals, dass die von Dirac vorhegesagten Monopole tatsächlich in Festkörpern existieren. Sie entstehen durch eine spezielle Anordnung der Dipole und unterscheiden sich vollkommen von den üblichen Eigenschaften magnetischer Materialien. Doch neben dieser grundlegenden Erkenntnis betont Jonathan Morris vor allem die weitergehende Bedeutung der Resultate: „Wir beschreiben neue, fundamentale Eigenschaften von Materie. Sie sind allgemeingültig für Materialien mit derselben Topographie, also Stoffe mit magnetischen Momenten im Pyrochlor-Gitter. Für die Entwicklung neuer Technologien könnte dies von großer Bedeutung sein. Vor allem sei hervorzuheben, dass erstmals eine magnetische Fraktionalisierung in drei Dimensionen beobachtet wurde“.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *