На протяжении десятилетий ученые искали магнитные монополи – элементарные частицы, обладающие ненулевым магнитным зарядом и являющиеся точечными источниками магнитного поля. Недавно группа исследователей из института Пауля Шеррера (PSI) в Швейцарии и Университетского колледжа Дублина смогла создать монополи в виде квазичастиц в ансамбле наномагнитов и получить их видимое изображение. Как и элементарные монополи, которые были впервые предсказаны британским физиком Полем Дираком в 1931 году, каждый монополь был связан с монополем противоположного знака с помощью "струны" Дирака. В то же время оба монополя могли двигаться независимо друг от друга. Полученные результаты имеют не только научный интерес, но также могут служить основой для разработки будущих электронных устройств.
На рис. слева показана гексагональная магнитная структура, справа – магнитные монополи и "струна" Дирака между ними.
У обычного магнита всегда есть два полюса. Если его разрезать на две части, то у каждой части снова будет два полюса. Но в 30-е годы прошлого столетия британский физик Поль Дирак предсказал существование пар монополей, связанных друг с другом так называемыми "струнами" Дирака. В прошлом году впервые удалось получить такие монополи. Однако "струны" Дирака можно было наблюдать только косвенно с помощью рассеяния нейтронов и при температурах, близких к абсолютному нулю.
Исследователи из института Пауля Шеррера и Университетского колледжа Дублина смогли напрямую наблюдать магнитные монополи и связанные с ними "струны" Дирака при комнатной температуре. Для этого был синтезирован искусственный двумерный магнитный материал гексагональной структуры, элементами которой были наномагниты длиной 500 нм и шириной 150 нм. В узлах такой структуры размещались три полюса соседних магнитов. Из-за сходства с расположением атомов в обычном льду эта структура получила название искусственного спинового льда. "Для нашего эксперимента наномагниты были расположены таким образом, чтобы имело место чередование узлов с двумя северными полюсами и южным полюсом и узлов с двумя южными полюсами и северным полюсом" – говорит Лора Хейдерман (Lora Heyderman). – "С помощью приложения внешнего магнитного поля можно изменить намагниченность одного из магнитов так, что на его концах в узлах структуры окажутся по три одинаковых полюса. Такие образования ведут себя как магнитные монополи".
"Если увеличивать приложенное магнитное поле, то вектор намагниченности в соседних магнитах переворачивается. Такое лавинообразное изменение намагниченности продолжается по принципу домино, при этом два монополя движутся в противоположные стороны: один - вправо, другой - влево" – говорит Елена Менготти (Elena Mengotti), являющаяся аспирантом в PSI и выполняющая основную часть экспериментов. "В ходе этого процесса два монополя всегда связаны одномерной линией, на протяжении которой северный полюс каждого магнита находится рядом с южным полюсом своего соседа, тем самым образуя "струну" Дирака. Когда внешнее поле отключается, монополи остаются на своих местах, словно они "заморожены" в спиновом льду".
Наблюдая непосредственно за изменением направления намагниченности отдельных наномагнитов, можно сделать выводы о движении монополей, а, следовательно, и росте "струны" Дирака.
"Наши результаты являются прорывом не только с точки зрения непосредственного наблюдения монополей и "струн" Дирака, но и показывают, что их движением можно управлять," – сообщает Ганс Бенджамин Браун (Hans-Benjamin Braun), руководитель проекта в Университетском колледже Дублина.
"Полученные результаты могут сыграть ключевую роль при разработке новых устройств хранения данных", говорит Браун. Лора Хейдерман добавляет: "На следующем этапе необходимо найти способ управления монополями еще меньших размеров для использования их в устройствах хранения и выполнения логических операций. Идея заключается в разработке цифровых устройств, в которых информация будет передаваться с помощью магнитных монополей, а не электрических импульсов".
