Forskare har upptäckt magnetiska monopoler – isolerade magnetiska laddningar – i ett material som är nära relaterat till rost, ett resultat som kan användas för att driva grönare och snabbare datorteknik.

Forskare ledda av University of Cambridge använde en teknik som kallas diamantkvantavkänning för att observera virvlande texturer och svaga magnetiska signaler på ytan av hematit, en typ av järnoxid.

Forskarna observerade att magnetiska monopoler i hematit uppstår genom det kollektiva beteendet hos många snurr (vinkelmomentet hos en partikel). Dessa monopoler glider över de virvlande texturerna på hematitens yta som små hockeypuckar av magnetisk laddning. Detta är första gången som naturligt förekommande framväxande monopoler har observerats experimentellt.

Forskningen har också visat det direkta sambandet mellan de tidigare dolda virvlande texturerna och de magnetiska laddningarna av material som hematit som om det finns en hemlig kod som länkar dem samman. Resultaten, som kan vara användbara för att möjliggöra nästa generations logik- och minnesapplikationer, rapporteras i tidskriften Nature Materials .

Enligt James Clerk Maxwells ekvationer, en jätte inom Cambridge-fysiken, måste magnetiska objekt, oavsett om det är en kylskåpsmagnet eller jorden själv, alltid existera som ett par magnetiska poler som inte kan isoleras.

"De magneter vi använder varje dag har två poler:norr och söder", säger professor Mete Atatüre, som ledde forskningen. "På 1800-talet antogs det att monopoler kunde existera. Men i en av hans grundläggande ekvationer för studier av elektromagnetism höll James Clerk Maxwell inte med."

Atatüre är chef för Cambridges Cavendish Laboratory, en position som en gång innehafts av Maxwell själv. "Om monopoler fanns, och vi kunde isolera dem, skulle det vara som att hitta en saknad pusselbit som antogs vara förlorad", sa han.

För ungefär 15 år sedan föreslog forskare hur monopoler kunde existera i ett magnetiskt material. Detta teoretiska resultat förlitade sig på den extrema separationen av nord- och sydpolen så att varje pol lokalt verkade isolerad i ett exotiskt material som kallas spin ice.

Det finns dock en alternativ strategi för att hitta monopoler som involverar begreppet emergens. Idén med emergens är kombinationen av många fysiska enheter som kan ge upphov till egenskaper som antingen är mer än eller skiljer sig från summan av deras delar.

I samarbete med kollegor från University of Oxford och National University of Singapore använde Cambridge-forskarna emergens för att avslöja monopoler spridda över tvådimensionella rymd, glidande över de virvlande texturerna på ytan av ett magnetiskt material.

De virvlande topologiska texturerna finns i två huvudtyper av material:ferromagneter och antiferromagneter. Av de två är antiferromagneter mer stabila än ferromagneter, men de är svårare att studera eftersom de inte har en stark magnetisk signatur.

För att studera antiferromagneternas beteende använder Atatüre och hans kollegor en avbildningsteknik som kallas diamantkvantmagnetometri. Den här tekniken använder ett enda snurr – det inneboende vinkelmomentet hos en elektron – i en diamantnål för att exakt mäta magnetfältet på ytan av ett material, utan att påverka dess beteende.

För den aktuella studien använde forskarna tekniken för att titta på hematit, ett antiferromagnetiskt järnoxidmaterial. Till sin förvåning hittade de dolda mönster av magnetiska laddningar i hematit, inklusive monopoler, dipoler och kvadrupoler.

"Monopoler hade förutspåtts teoretiskt, men det här är första gången vi faktiskt har sett en tvådimensionell monopol i en naturligt förekommande magnet", säger medförfattaren professor Paolo Radaelli från University of Oxford.

"Dessa monopoler är ett kollektivt tillstånd av många snurr som snurrar runt en singularitet snarare än en enda fixerad partikel, så de kommer fram genom interaktioner med många kroppar. Resultatet är en liten, lokaliserad stabil partikel med divergerande magnetfält som kommer ut ur den." sa den första författaren Dr. Hariom Jani, från University of Oxford.

"Vi har visat hur diamantkvantmagnetometri kan användas för att reda ut magnetismens mystiska beteende i tvådimensionella kvantmaterial, vilket kan öppna upp nya forskningsfält inom detta område", säger medförfattaren Dr. Anthony Tan från Cavendish Laboratory. "Utmaningen har alltid varit direkt avbildning av dessa texturer i antiferromagneter på grund av deras svagare magnetiska dragkraft, men nu kan vi göra det med en fin kombination av diamanter och rost."

Studien belyser inte bara potentialen hos diamantkvantmagnetometri utan understryker också dess förmåga att avslöja och undersöka dolda magnetiska fenomen i kvantmaterial. Om de kontrolleras kan dessa virvlande texturer klädda i magnetiska laddningar driva supersnabb och energieffektiv datorminneslogik.

Mer information: Mete Atatüre et al, Revealing Emergent Magnetic Charge in an Antiferromagnet with Diamond Quantum Magnetometry, Naturmaterial (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01737-4. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2303.12125

Journalinformation: Naturmaterial , arXiv

Tillhandahålls av University of Cambridge