I arbete publicerat i Fysiska granskningsbrev , forskare från RIKEN i Japan har upptäckt intressanta nya magnetiska egenskaper hos en typ av material som kallas "kvantspinnis". Dessa material visar intressanta egenskaper när de beter sig som "frustrerade magneter" - system som kan sätta sig i olika magnetiska tillstånd på grund av deras speciella geometri. En viktig egenskap hos dessa material är att de har virtuella monopoler - partiklar som antingen är norr eller söder men inte som vanliga magneter, som alltid har både en nord- och sydpol begränsad tillsammans.

Med hjälp av numeriska simuleringar, gruppen visade hur ett magnetfält kan användas för att kontrollera egenskaperna hos nord- och sydpolen, som är fraktionerade från elektroniska magnetmoment, på en frustrerad magnet som kallas en kvantspinnis.

Gruppen föreslog först en modell för kvantspinnis-spinnis baserad på kvantegenskaper-2010 för att beskriva de magnetiska egenskaperna hos magnetiska sällsynta jordartspyroklorer-en typ av mineral som visar intressanta fysiska egenskaper. Under 2012, experiment visade att denna modell var giltig. Detta system inkluderar ett kvantspinnande vätskestatus där spinn-egenskapen hos elektroner som leder till magnetiska egenskaper-hindras från att ordna och frysa genom nollpunktsrörelse, en rörelsestyp som tillåts även vid noll temperatur under kvantmekanik, av sina monopoler. Eftersom monopolavgifter är föremål för en bevarande lag, rörelsen av nord- och sydpolen påverkar direkt riktningen för magnetmoment i systemet. Dessutom, elektriska laddningar bärs inte av dessa monopoler, och monopolströmmen följs därför inte av en elektrisk ström som skulle leda till en stor energiförlust genom Joule -värme. "På grund av detta, "säger Shigeki Onoda, gruppens ledare, "monopolström erbjuder ett potentiellt effektivt sätt att styra magneter utan förlust."

Genom detta arbete, forskarna avslöjade att det sker successiva övergångar från det kvantiska centrifugeringsvätsketillståndet om ett magnetfält appliceras i en speciell riktning längs vilken kagome-gitterskikt och triangulära-gitterlager staplas ovanpå varandra. Först, magnetiseringen av systemet stiger smidigt till ett värde två tredjedelar av det maximala värdet i kvantcentrifugeringsvätskestatus, och förblir sedan på den nivån i ett begränsat område av fältstyrkan, som kallas 2/3 magnetiseringsplatån. I detta platåläge, nollpunktsrörelsen hos monopoler är rymligt begränsad och lokaliserad, och således kan detta tillstånd inte vara värd för en koherent monopolström. Dock, när magnetfältets styrka ökar, magnetiseringen av materialet börjar så småningom stiga igen och samtidigt, monopolavgifterna blir oproportionerliga och visar en överflödighet. Detta är en magnetisk analog av ett supersolid i helium 4, där atomerna visar både en ojämn rumslig fördelning och en överflödighet, som stöder friktionsfri och därmed spridningsfri ström, vid extremt låg temperatur. Monopolens supersolidfas överlever tills magnetiseringen mättas till maximivärdet.

Enligt Onoda, "Vårt arbete indikerar att konduktiviteten associerad med monopolströmmen kan kontrolleras väsentligt genom att applicera ett magnetfält på kvantspinnis och att det är möjligt att vara värd för dissipationsfri monopolström i monopolens supersolidfas. Våra resultat kan också öppna en ny väg till den effektiva kontrollen av magnetism för en rad potentiella applikationer, till exempel minnesenheter. "