Kaedah baru untuk mendapatkan monopole magnetik dalam spin ais telah dibangunkan • Igor Ivanov • Berita Sains mengenai "Unsur" • Fizik

Kaedah baru untuk mendapatkan monopole magnetik dalam spin ais telah dibangunkan.

Rajah. 1. Dalam spin ais, terdapat keadaan khas elektron kolektif yang berkelakuan seperti monopole magnetik – caj magnet yang berasingan. Di bawah tindakan medan magnet luar, monopole tersebut akan bergerak ke hujung bertentangan sampel, membentuk arus magnet (turun di bawah). Pada tahap sel kristal individu, pergerakan tersebut diperoleh dengan melompat monopole dari satu simpul ke yang lain, yang disebabkan oleh flip elektron spin (di bahagian atas). Gambar dari artikel H.-B. Braun 2014. Monopole magnetik: Melepaskan api dalam ais berputar

Tiga tahun yang lalu, didapati bahawa titanate dysprosium pada suhu rendah mengandungi keadaan elektronik kolektif dari jenis yang luar biasa – dalam bentuk monopole magnetik. Sehingga kini, kepekatan monopole di dalam bahan adalah sangat kecil, yang menghadkan pelbagai tugas dan kemungkinan penguji. Dalam artikel yang diterbitkan pada hari yang lain dalam majalah Fizik Alam, ia dilaporkan mengenai teknik baru yang membolehkan anda untuk secara dramatik meningkatkan kepekatan ini dan menjadikan tersedia untuk mengkaji banyak kesan dinamik berdasarkan "magnet" – analog magnetik arus elektrik.

Monopole magnetik dalam ais putaran

Apa yang membuat perkara yang mengagumkan luar biasa – pepejal dan cecair – adalah kekayaan luar biasa kemungkinan struktur. Ia seolah-olah segala-galanya terdiri daripada nukleus atom dan elektron – apa yang sangat istimewa tentang mereka yang boleh dibuat? Ternyata banyak perkara! Satu pasukan yang sangat banyak zarah-zarah serupa yang sangat rapat dan berinteraksi antara satu sama lain adalah yang terbaik digambarkan pada suhu rendah bukan sebagai satu set atom, tetapi sebagai penggambaran kolektif – quasiparticles – terhadap latar belakang keadaan tanah kristal. Walaupun fakta bahawa kuasi-zarah pada tahap mikroskopik terdiri daripada nukleus dan elektron yang sama, secara amnya, mereka berkelakuan agak berbeza dari elektron bebas atau nukleus dalam vakum. Mereka mungkin mempunyai ciri-ciri yang sememangnya mustahil untuk elektron dan nukleus (dan sesungguhnya untuk semua zarah yang diketahui).

Pada tahun 2009, keluarga kuaripartikel yang luar biasa telah diisi semula dengan monopole magnetik. Segera tiga kumpulan eksperimen melaporkan penemuan monopole magnetik dalam bahan kristal jenis yang luar biasa – dalam ais berputar. Segera menekankan: kita tidak bercakap tentang zarah asas baru! Monopole magnetik dalam perkara adalah penggalian kolektif elektron yang sama.Ringkasnya, keghairahan ini direka supaya mereka membuat sekitar medan magnet, seperti medan magnet individu yang boleh bergerak dengan bebas di sekitar kristal. Sekali lagi, jangan berfikir bahawa monopole ini disusun "keping" setempat jenis perkara tertentu. Anjakan penggalian kolektif adalah perubahan segerak elektron sedemikian, yang dari jarak kelihatan seperti melompat monopole dari satu atom ke yang lain (Rajah 1).

Dalam ara. 2 menunjukkan gambaran yang sangat hampir tentang fenomena ini. Bayangkan kisi kristal persegi; Di dalam laman webnya terdapat ion, dan pautan kisi adalah elektron valensi, yang memberikan ikatan antara ion jiran. Setiap elektron tersebut mempunyai spin yang boleh diarahkan dari satu atom ke yang lain. Interaksi antara elektron dan atom boleh jadi konfigurasi yang paling cekap tenaga apabila pada setiap nod dua putaran mencari ke dalam dan dua ke arah luar (Rajah 2, kiri).

Rajah. 2 Skim paling mudah dengan nukleus nukleus dan unit elektron, menggambarkan monopole magnetik dalam kristal. Di sebelah kiri: dalam keadaan yang menggembirakan, elektron dianjurkan sedemikian rupa sehingga pada setiap nod dua spin elektron melihat ke dalam, dan dua – ke luar. Di tengah: jika satu putaran dibongkar, dua cacat berputar bertentangan akan muncul. Di sebelah kanan: kecacatan ini menjana medan magnet di sekeliling mereka, sama dengan medan dari monopole dan antimonopoli, yang kemudiannya boleh menyimpang jauh dari satu sama lain

Sekarang bayangkan bahawa salah satu putaran itu berpaling (Rajah 2, di tengah). Kemudian dua nod bersebelahan berlaku cacat berputar: dalam satu nod, tiga punggung melihat ke dalam, satu ke luar, dan yang lain sebaliknya. Tetapi spin elektron dikaitkan dengan sifat magnetnya, jadi sepasang kecacatan ini menghasilkan medan magnet tambahan di sekelilingnya. Bidang ini kelihatan seperti ia dijana oleh dipol magnetik, atau, secara relatif, oleh pasangan monopole-antimonopol (Rajah 2, kanan).

Dan langkah terakhir. Jika kita sudah mempunyai beberapa kecacatan, maka kita dapat dengan mudah mengubah beberapa putaran lagi di sel-sel jiran. Ini tidak memerlukan tenaga tambahan, kerana bilangan nod "cacat" tidak berubah, tetapi medan magnet dari seluruh kumpulan ini kelihatan sama seperti dipisahkan dari satu sama lain monopole dan antimonopoli. Ternyata monopoli dalam kes ini bukan sekadar pun; ini adalah kegembiraan kolektif rantai spin sebenarnya bergerak melalui kristal.

Rajah. 3 Gambar yang sama dari putaran dalam kisi kristal yang lebih realistis. Di atas: rampasan satu spin menimbulkan pasangan monopole-antimonopol, turun di bawah: kecacatan yang diverifikasi mencipta medan magnet, yang berdekatan dengan masing-masing kelihatan seperti medan dari monopole. Gambar dari artikel C. Castelnovo et al. 2007. Monopole magnetik dalam spin ais

Dalam ais putaran sebenar – sekurang-kurangnya dalam Dysprosium titanate Dy2Ti2O7Contoh klasik ais putaran adalah bahawa struktur kristal sedikit lebih rumit (Rajah 1 dan 3). Ia menyerupai bukan kekisi persegi, tetapi struktur kerangka ais biasa; Oleh itu nama. Walau bagaimanapun, terdapat juga elektron dengan punggung mereka di antara nod jiran, dan keadaan mereka yang paling baik adalah dua ke dalam dan dua ke dalam. Sebaliknya putaran mengarah kepada penciptaan pasangan monopoli-antitrust; rampasan spin tetangga membolehkan pasangan ini untuk memisahkan. Apabila terdapat banyak monopole dan anti-monopole dalam bahan, mereka semua mula bergerak, sama ada secara bebas kerana suhu tidak sifar atau di bawah pengaruh medan luaran.Semuanya kelihatan seolah-olah gas bersyarat monopole dan anti-monopole muncul di dalam kristal. Kita boleh mengkaji termodinamik gas ini, keupayaan haba, kerentanan magnetnya, interaksi dengan ciri-ciri lain bahan, dan sebagainya. Secara umum, kelas tugas yang baru dibuka.

Semuanya baik, tetapi setakat ini semua eksperimen dengan monopole magnetik dalam spin ais telah terhad kepada fenomena pegun. Tiada dinamik proses yang berkaitan dengan aliran caj magnet (iaitu, dengan arus magnetik – "magnet"), tidak dikesan secara langsung. Sebabnya adalah teknik percubaan yang terhad. Sehingga kini, hanya keseimbangan dan gas monopole magnet yang sangat jarang diperolehi dalam eksperimen. Untuk memerhatikan kesan menarik yang baru, monopoli dalam bahan tidak perlu dicipta, tetapi dibuat dalam keadaan tidak seimbang dan dalam jumlah besar.

Inilah persoalan pasukan penyelidik antarabangsa, yang artikelnya muncul baru-baru ini dalam jurnal Fizik Alam. Puncak utama kerja mereka adalah kaedah baru yang mana mungkin untuk mendapatkan sampel titanate dysprosium dengan kepekatan monopole magnet yang sangat penting dan laras.Ini membolehkan bukan sahaja mengesan dan tepat mengukur arus magnet yang disebabkan oleh pergerakan monopole (lihat Rajah 1), tetapi juga untuk mengkaji pergantungannya pada suhu dan kepekatan. Ini membuka kemungkinan teori mengesahkan eksperimen yang menggambarkan, pada tahap atom, pergerakan monopole dan interaksi mereka antara satu sama lain dan dengan kecacatan kekisi lain.

Avalanche magnet

Para penyelidik sendiri memanggil kaedah penyejukan mereka kerana "avalanche magneto-termal" – satu lagi ungkapan yang tidak biasa untuk bukan pakar, yang penuh dengan topik ini. Untuk menerangkan makna istilah dan menggariskan intipati kaedah, mari kita mulakan dari jauh – dengan metalurgi.

Terdapat satu konsep yang terkenal – pengerasan keluli. Baja merah panas dicelupkan dalam air sejuk, dan keluli itu disejukkan dengan ketara. Titik prosedur ini ialah dengan penyejukan yang sangat cepat, banyak kecacatan struktur yang berada dalam keluli palsu yang panas tidak mempunyai masa untuk melicinkan dan hilang, dan terjebak dalam bahan tersebut. Oleh kerana kepekatan kecacatan struktur sangat tinggi, mereka menghalang satu sama lain daripada bergerak di sekitar logam.Walaupun dengan beban mekanikal luaran yang serius, kecacatan ini memegang, tidak merayap dan dengan itu memberikan peningkatan kekerasan dan kekuatan keseluruhan sekeping keluli.

Sekiranya keluli didinginkan secara perlahan, maka kecacatan ini boleh bergerak ke atas bahan untuk jangka masa yang lama, secara beransur-ansur menghapuskan diri dan memerintahkan kekisi kristal. Akibatnya, kepekatan kecacatan tidak begitu besar, sehingga mereka dapat merangkak secara bebas di bawah beban dan mengakibatkan ubah bentuk plastik. Sudah tentu, jika kita dapat menghapuskan semua kecacatan sepenuhnya, iaitu, untuk mendapatkan satu kristal logam makroskopik, ini juga akan baik untuk meningkatkan kekerasan, tetapi pengalaman menunjukkan bahawa ideal ini tidak dapat dicapai dalam proses teknologi.

Apa yang telah dilakukan dalam kerja baru ialah analog putaran proses sedemikian. Masalahnya ialah bahawa kristal spin-ais sudah berada pada suhu yang rendah (beberapa sepuluh kelvin), jadi anda tidak dapat menyentuhnya ke dalam air. Ia boleh dipanaskan dan kemudian disejukkan oleh penyingkiran haba, tetapi pada suhu rendah prosedur ini agak lambat.

Penulis artikel baru datang dengan ini.Pertama, mereka mengambil sampel bahan dengan suhu rendah (0.075 K), yang berada dalam medan magnet luar yang kuat (Rajah 4, b). Semua putaran dalam keadaan sedemikian diarahkan, terdapat praktikal tiada kecacatan. Kemudian penyelidik dengan cepat, dalam sekejap, menukar polaritas medan magnet. Punggung berasingan tidak mempunyai masa untuk menyesuaikan diri dengan bidang kudeta yang pantas. Dari sudut pandang interaksi dengan medan magnet, sampel itu adalah pertama dalam keadaan yang paling energetically menguntungkan, dan kemudian tiba-tiba mendapati dirinya paling banyak tidak menguntungkan keadaan. Tenaga magnet yang berlebihan, yang tiba-tiba muncul pada semua putaran, segera berubah menjadi ayunan kisi, iaitu, ke dalam tenaga terma. Sampel itu memanaskan dengan ketara kepada kira-kira 0.9 K, dan jumlah magnetisasi hilang (Rajah 4, c). Oleh kerana transformasi tenaga magnetik ke dalam haba tidak berlaku dengan serta-merta dalam keseluruhan volum sampel, tetapi sebaliknya menyebar dalam bentuk "depan panas", kesan ini dipanggil avalanche magnetotermal.

Rajah. 4 Rajah yang menggambarkan penyejukan dengan kaedah longsoran magnetotermalmal (lihat penjelasan dalam teks). Imej dari artikel yang sedang dibincangkan

Sampel itu sentiasa bersentuhan dengan persekitaran yang sangat sejuk, dan medium ini tidak panas sama sekali daripada pembalikan kutub medan.Oleh itu, sejurus selepas pemanasan pesat, sampel dapat dikeringkan secepatnya (Rajah 4, d). Berputar pada masa yang sama beratur lagi di padang atau menentang padang, tetapi sejak penyejukan cepat, mereka meninggalkan banyak kecacatan magnet dalam bahan tersebut.

Walau bagaimanapun, sampel masih dalam medan yang kuat, yang bermaksud bahawa selepas beberapa saat semua kecacatan akan hilang. Oleh itu, langkah seterusnya, para penyelidik hanya memusingkan medan magnet secara mendadak. Seluruh kitaran pemanasan dan penyejukan pantas diulang (Rajah 4, e, f). Output adalah sampel sejuk bahan dengan konsentrasi tinggi monopole magnet yang lebih atau tidak – sebagaimana diperlukan.

Untuk membuat proses ini lebih intuitif, lihat rajah. 5, di mana analogi mekanikal sederhana pemanasan magnetotermal dan kitaran penyejukan ditunjukkan. Sekiranya anda mengambil kotak dengan bola berbaring di bahagian bawah (analog suhu rendah) dan membalikkannya dengan terbalik (pembalikan kutub), maka bola tiba-tiba mendapati diri mereka dalam keadaan yang mempunyai banyak tenaga yang berpotensi. Mereka akan mula melompat secara rawak di sekitar kotak (suhu tinggi), tetapi disebabkan oleh kehilangan tenaga yang beransur-ansur, pergerakan mereka akan secara beransur-ansur "menyejukkan".Kurang elastik rebound, lebih cepat penyejukan ini. Malangnya, analogi ini gagal untuk menunjukkan bagaimana keadaan tidak teratur muncul dan membekukan; jika anda masih ingin mencapai ini, anda boleh membayangkan bahawa tiada udara di dalam kotak, tetapi busa yang kuat mengeras yang akan menangkap keadaan bola melompat.

Rajah. 5 Analogi mekanikal kesan longsoran magnetostemik. Secara mendadak menghidupkan kotak dengan bola, kami memberitahu mereka peningkatan potensi tenaga, yang kemudian berubah menjadi gerakan rawak – menjadi panas. Bouncing tidak elastik membawa kepada fakta bahawa "suhu" gas bola secara beransur-ansur berkurang.

Eksperimen seterusnya

Contoh bahan dengan kepekatan monopole yang tinggi, diperolehi dengan kaedah avalanche magnetotermal, sedia untuk eksperimen selanjutnya. Yang paling semulajadi ialah pengukuran arus magnet yang disebabkan oleh aliran lancar monopole dalam medan magnet luaran yang lemah (Rajah 1, di bawah). Dari sudut pandang mikroskopik, sejenis analog magnetik elektrolit diperolehi: caj magnetik positif hanyut ke satu kelebihan, yang negatif kepada yang lain.Jika kita melihat sampel secara keseluruhan, maka kita berhadapan dengan proses biasa kejadian beransur-ansur magnetisasi sampel dengan inertness magnetik yang tinggi apabila diletakkan di dalam medan magnet.

Bagaimanakah seseorang boleh mengesahkan bahawa ia adalah hanyut monopole magnetik yang bertanggungjawab untuk magnetisasi ini? Ia perlu melakukan jenis eksperimen yang sama dengan kepekatan monopole yang berbeza atau dengan mobiliti yang berbeza dan mengukur kadar magnetisasi sampel. Ini mudah dicapai. Kepekatan yang berbeza boleh diperoleh dengan mengubah kadar penyejukan (penyejukan pantas – banyak monopol, lambat – sedikit), dan mobiliti – dengan menukar suhu di mana pengukuran dibuat (semakin rendah suhu, semakin rendah pergerakan).

Para penyelidik menubuhkan satu percubaan sedemikian dan sebenarnya menemui kebergantungan yang ketara terhadap kadar magnetisasi pada kadar penyejukan dan pada suhu akhir. Dalam ara. 6 menunjukkan magnetisasi sampel setiap atom dysprosium berbanding masa. Kesan daripada longsor magnetostemik ditunjukkan dalam warna merah, dan penyejukan biasa pada kelajuan 0.3 mK / s (iaitu kira-kira 1 kelvin sejam) ditunjukkan dengan warna biru.Grafik merah naik sebelum biru, dan semakin rendah suhu, semakin besar perbezaannya. Sebagai contoh, pada suhu 0.3 K, magnetisasi untuk kaedah avalanche tumbuh kepada separuh saiz dalam kira-kira beberapa jam, dan untuk kaedah penyejukan biasa, pada satu pertiga hari. Pada 0.2 K, perbezaannya lebih menarik.

Rajah. 6 Ketergantungan magnetisasi pada masa pada suhu yang berbeza dan pilihan penyejukan yang berlainan. Imej dari artikel yang sedang dibincangkan

Hubungan sedemikian mempunyai penjelasan yang semulajadi. Dalam kes penyejukan runtuhan, banyak monopole telah wujud dalam sebahagian besar bahan, yang hanya mengalir ke hujung bertentangan sampel. Dengan penyejukan yang biasa, kepekatan lebih kurang, tidak ada monopole awal yang cukup untuk pemagnetan lengkap, dan oleh itu dengan peredaran masa pasangan monopole-antitrust baru muncul di sana, yang secara beransur-ansur menyimpang di tepi. Semakin rendah suhu, semakin sukar proses ini, dan oleh itu magnetisasi sampel biasa melambat secara dramatik. Dan pasangan monopole-antitrust tambahan tidak diperlukan untuk kaedah avalanche dan sampel itu lebih banyak magnet.

Pada gambar yang sama. 6 pada suhu 0.5-0.6 K, satu lagi ciri boleh dilihat.Sekiranya penyejukan adalah normal, maka lengkung itu akan meningkat dengan lancar dari awal ke had tertentu. Sekiranya penyejukan adalah longsor, maka pertama kali kenaikan, dan pada akhirnya – tidak dapat dilihat keturunan untuk menghadkan nilai. Ini menunjukkan bahawa pada kepekatan monopole yang tinggi, arus magnetik pertama "berlebihan" dengan pengecasan magnet sampel, dan kemudian sedikit jatuh magnetisasi. Apakah punca mikroskopik kesan ini belum lagi jelas, tetapi jelas menunjukkan ketidakstabilan negara tertentu dengan kepekatan monopole yang tinggi.

Teknik baru membuka prospek yang luas untuk mengkaji keadaan perkara luar biasa yang baru ini. Terima kasih kepada itu, menjadi mustahil bukan sahaja untuk mendapatkan gas dari monopole magnetik yang mengembara di sekitar kristal, tetapi juga untuk mengawal kepekatan mereka, sehingga gas ini tidak menjadi keseimbangan. Ia membuka akses kepada kajian eksperimen tentang pelbagai fenomena nonstationary dengan monopole terpisah – yang sehingga sekarang tidak mungkin dalam bentuk apa pun. Kajian-kajian ini mungkin juga mencari aplikasi praktikal. Sekarang banyak usaha dibelanjakan untuk pembangunan teknologi berdasarkan spintronics – pelbagai teknologi maklumat,di mana peranan utama tidak dimainkan oleh pergerakan tuduhan, tetapi oleh perubahan putaran elektron (lihat contoh dalam berita Memori Magnetik "pada treadmill": cepat, murah dan boleh dipercayai, "Unsur", 29 April 2008). Monopole magnetik untuk tujuan yang sama tidak dapat digunakan dalam masa terdekat – setelah semua, suhu pada perintah Kelvin belum lagi mudah untuk aplikasi praktikal. Walau bagaimanapun, percubaan baru akan memungkinkan untuk lebih memahami dinamik kecacatan magnet dalam perkara – tetapi dalam aspek ini, dinding domain yang digunakan dalam spintronics dan monopole sangat dekat.

Sumber: C. Paulsen et al. Dinamik monopole jauh-dari-keseimbangan dalam spin ais // Fizik Alam (2014). DOI: 10.1038 / nphys2847.

Lihat juga:
Mengenai monopole magnetik – komen blog kepada laporan media tentang penemuan monopoli dalam spin ais.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: