Впервые в реальном магните определены "монополи"

Анализируя уравнения Максвелла и принципы квантовой механики, известный физик-теоретик П. А. М. Дирак пришел к выводу, что ничто в природе не запрещает наряду с квантами электричества, которые, к примеру, несут электрон или протон, существование и квантов магнетизма. Гипотетические частицы, несущие элементарный магнитный заряд, были названы монополями. В результате своих вычислений Поль Дирак пришел также к выводу, что магнитные монополи могут существовать на концах так называемых струн Дирака. Последние представляют собой воображаемые одномерные кривые в пространстве, натянутые между двумя магнитными монополями с противоположными зарядами либо уходящие от одного монополя в бесконечность. Магнитное поле, распространяющееся внутри струны, подчиняется уравнениям Максвелла.

Несколько попыток обнаружить магнитные монополи не привели к успеху. Однако в Science Express от 3 сентября появилась статья о том, что исследователи из Берлинского центра Гельмгольца (HZB) в сотрудничестве с коллегами из Дрездена, Сент-Андруса, Ла-Платы и Оксфорда впервые наблюдали магнитные "монополи" в реальном материале.

Джонатан Моррис (Jonathan Morris), Алан Теннант (Alan Tennant) и коллеги из HZB провели эксперимент по рассеянию нейтронов на берлинском исследовательском реакторе. Мишенью служил одиночный кристалл титаната диспрозия. Его кристаллы имеют примечательную геометрию – так называемую решетку пирохлора. Анализ результатов рассеяния показал, что магнитные моменты внутри материала реорганизовались в так называемое «спиновое спагетти». Это название обязано механизму упорядочения диполей, при котором развивается сеть изогнутых трубок (струн), по которым передается магнитный поток.

В процессе эксперимента по рассеянию нейтронов к кристаллу было приложено магнитное поле. С его помощью исследователи могли влиять на симметрию и ориентацию струн. Таким образом было возможно уменьшить плотность сети струн и способствовать диссоциации "монополей". В результате при температуре от 0,6 до 2 К на концах струн были обнаружены "монополи".

В этой работе впервые было подтверждено, что магнитные "монополи" существуют как возникающее состояние материи, другими словами, они возникают в результате специального расположения диполей и полностью отличны от образующего их материала. Как пояснил Джонатан Моррис, такие свойства присущи, вообще говоря, всем материалам с подобной топологией, то есть для магнитных моментов в решетке пирохлора.