Les chercheurs ont découvert des monopôles magnétiques (des costs magnétiques isolées) dans un matériau étroitement lié à la rouille, un résultat qui pourrait être utilisé pour alimenter des systems informatiques furthermore écologiques et additionally rapides.
Des chercheurs dirigés par l’Université de Cambridge ont utilisé une method connue sous le nom de détection quantique du diamant pour observer des textures tourbillonnantes et de faibles signaux magnétiques à la floor de l’hématite, un type d’oxyde de fer.
Les chercheurs ont observé que les monopôles magnétiques dans l’hématite émergent du comportement collectif de nombreux spins (le minute cinétique d’une particule). Ces monopôles glissent sur les textures tourbillonnantes à la floor de l’hématite, comme de minuscules rondelles de hockey chargées magnétiquement. C’est la première fois que des monopôles émergents naturels sont observés expérimentalement.
La recherche a également montré le lien immediate entre les textures tourbillonnantes auparavant cachées et les prices magnétiques de matériaux comme l’hématite, comme s’il existait un code top secret les reliant entre elles. Les résultats, qui pourraient être utiles pour permettre des programs de logique et de mémoire de nouvelle génération, sont rapportés dans la revue Mother nature Resources.
Selon les équations de James Clerk Maxwell, un géant de la physique de Cambridge, les objets magnétiques, qu’il s’agisse d’un aimant de réfrigérateur ou de la Terre elle-même, doivent toujours exister sous la forme d’une paire de pôles magnétiques qui ne peuvent être isolés.
« Les aimants que nous utilisons quotidiennement ont deux pôles : nord et sud », a déclaré le professeur Mete Atatüre, qui a dirigé la recherche. « Au 19ème siècle, on émettait l’hypothèse que des monopôles pouvaient exister. Mais dans l’une de ses équations fondamentales pour l’étude de l’électromagnétisme, James Clerk Maxwell n’était pas d’accord. »
Atatüre est directeur du laboratoire Cavendish de Cambridge, poste autrefois occupé par Maxwell lui-même. « Si les monopoles existaient et que nous étions capables de les isoler, ce serait comme trouver une pièce manquante d’un puzzle que l’on croyait perdue », a-t-il déclaré.
Il y a environ 15 ans, des scientifiques ont suggéré l’existence de monopôles dans un matériau magnétique. Ce résultat théorique reposait sur la séparation extrême des pôles nord et sud de sorte que localement chaque pôle apparaissait isolé dans un matériau exotique appelé glace de spin.
Il existe cependant une stratégie option pour trouver des monopoles, faisant appel à la notion d’émergence. L’idée d’émergence est que la combinaison de nombreuses entités physiques peut donner naissance à des propriétés qui sont soit supérieures, soit différentes de la somme de leurs get-togethers.
En collaboration avec des collègues de l’Université d’Oxford et de l’Université nationale de Singapour, les chercheurs de Cambridge ont utilisé l’émergence pour découvrir des monopôles répartis dans un espace bidimensionnel, glissant sur les textures tourbillonnantes à la floor d’un matériau magnétique.
Les textures topologiques tourbillonnantes se retrouvent dans deux principaux sorts de matériaux : les ferromagnétiques et les antiferromagnétiques. Des deux, les antiferromagnétiques sont furthermore stables que les ferromagnétiques, mais ils sont moreover difficiles à étudier auto ils n’ont pas une forte signature magnétique.
Pour étudier le comportement des antiferromagnétiques, Atatüre et ses collègues utilisent une strategy d’imagerie connue sous le nom de magnétométrie quantique au diamant. Cette strategy utilise un seul spin – le moment cinétique inhérent d’un électron – dans une aiguille en diamant pour mesurer avec précision le champ magnétique à la surface d’un matériau, sans affecter son comportement.
Pour la présente étude, les chercheurs ont utilisé cette procedure pour examiner l’hématite, un matériau d’oxyde de fer antiferromagnétique. À leur grande shock, ils ont découvert des modèles cachés de charges magnétiques dans l’hématite, notamment des monopôles, des dipôles et des quadripôles.
« Les monopôles avaient été prédits théoriquement, mais c’est la première fois que nous observons un monopôle bidimensionnel dans un aimant naturel », a déclaré le co-auteur, le professeur Paolo Radaelli, de l’Université d’Oxford.
« Ces monopôles sont un état collectif de nombreux spins qui tournoient autour d’une singularité plutôt que d’une seule particule fixe, ils émergent donc à travers des interactions à plusieurs corps. Le résultat est une minuscule particule steady localisée avec un champ magnétique divergent qui en form. » a déclaré le Dr Hariom Jani, co-leading auteur, de l’Université d’Oxford.
« Nous avons montré comment la magnétométrie quantique du diamant pourrait être utilisée pour élucider le comportement mystérieux du magnétisme dans des matériaux quantiques bidimensionnels, ce qui pourrait ouvrir de nouveaux champs d’étude dans ce domaine », a déclaré le co-leading auteur, le Dr Anthony Tan, du Laboratoire Cavendish. « Le défi a toujours été l’imagerie directe de ces textures dans des antiferromagnétiques en raison de leur attraction magnétique plus faible, mais nous sommes désormais en mesure de le faire, avec une belle combinaison de diamants et de rouille. »
L’étude fulfilled non seulement en évidence le potentiel de la magnétométrie quantique du diamant, mais souligne également sa capacité à découvrir et à étudier les phénomènes magnétiques cachés dans les matériaux quantiques. Si elles sont contrôlées, ces textures tourbillonnantes recouvertes de expenses magnétiques pourraient alimenter une logique de mémoire informatique ultra-rapide et économe en énergie.
La recherche a été financée en partie par la Royal Culture, l’Institut Sir Henry Royce, l’Union européenne et le Conseil de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC), qui fait partie du United kingdom Investigation and Innovation (UKRI).
