Фізики змоделювали тривимірне середовище, в якому можливе існування і вільне поширення магнітних квазімонополів. Вони показали, що переміщенням цих квазічастинок можна керувати за допомогою магнітного поля. Проведена симуляція може стати важливим кроком у реалізації пристроїв магнетроніки, робота яких заснована на струмах магнітних зарядів. Дослідження опубліковано в журналі.
Магнітними монополіями називають гіпотетичні частинки, які відіграють ту ж роль у магнетизмі, що і більш звичні, електричні заряди в електриці. Іншими словами, вони несуть ненульовий магнітний заряд і цим відрізняються від звичайних магнітів, що володіють і північним, і південним полюсами (магнітні діполі). Магнітних монополій немає в класичній електродинаміці, однак вони природним чином з'являються в квантовій теорії поля. Це дає надію багатьом фізикам одного разу знайти їх, проте цього поки не сталося.
Разом з тим фізики навчилися створювати квазічастинки, які за своєю поведінкою дуже схожі на магнітні монополі. Зокрема, вони з'являються в спиновому льоді - решітці, складеній з тетраедрів, в чотирьох вершинах якого розташовані атомні спини і, відповідно, пов'язані з ними магнітні дипольні моменти. У стані з найменшою енергією два з них «дивляться» всередину тетраедра, а два - назовні. Елементарне збудження такої системи полягає в перевороті одного зі спинів, в результаті чого виникає пара нескомпенсованих магнітних зарядів. Ці обурення можуть віддалятися один від одного, залишаючи за собою ланцюжки магнітних дипольних моментів (струни Дірака), за що вони отримали назву магнітних квазімонополів.
Їх пряме використання, однак, ускладнюється крихкістю стану, в якому створюються ці квазічастинки. Зокрема, це вимагає досить низьких температур. Щоб подолати цю складність, фізики почали досліджувати штучні спинові льоди, в тому числі почесні, де в вершинах розташовані не атоми, а магнітні наноострівки. У таких системах вдалося спостерігати магнітні квазімонополі, проте їхня рухливість була обмежена через те, що зі зростанням довжини в струнах Дірака накопичувалася енергія. Тому фізики продовжують пошук зручних з практичної точки зору матеріалів, в яких такі квазічастинки могли б поширюватися вільно і у всіх вимірах.
Однією з таких робіт стало дослідження групи австрійських фізиків під керівництвом Дітера Зюсса (Dieter Suess) з Віденського університету. Вони змогли теоретично описати тривимірний матеріал, що складається з магнітних наноеліпсоїдів обертання, укладених в ідеальну решітку. Фізики показали, що в цьому матеріалі в струнах Дірака буде відсутнє «натягнення», отже, магнітні квазімонополі можуть поширюватися незалежно один від одного.
Еліптична форма елементів була обрана вченими, виходячи з того факту, що в такій конфігурації намагніченість залишається постійною вздовж їх осі. Це робить їх майже ідеальними з точки зору опису за допомогою моделі Ізінга. Автори підкреслюють, що описаний ними матеріал вже зараз можна виготовити методами двофотонної літографії, з урахуванням того, що простір між магнітними елементами має бути заповнений магнітним ізолятором, наприклад, сполуками, що містять платину або ніобій.
Симуляція проводилася за допомогою програмного пакета magnum.fe для частинок, що складаються з матеріалу, схожого на сплав заліза і кобальту. Фізики розглядали ґрати, що складаються всього з трьох шарів, щоб обчислення займали не дуже багато часу. Незважаючи на це, вони відзначають, що найважливіші процеси відбувалися в середньому шарі, що робить їх результати застосовними до матеріалів з великою кількістю шарів.
Проводячи чисельний експеримент при нульовій і кімнатних температурах, фізики виявили, що поріг рухливості магнітних зарядів на два електрон-вольти нижче, ніж енергія розриву зв'язку між ними. Це означає, що магнітні монополи з більшою ймовірністю будуть поширюватися за ґратами, ніж рекомбінувати один з одним. Дослідивши залежність цієї різниці від напрямку переміщення і докладеного поля, автори переконалися в можливості управління цим процесом. Використовуючи вирази для ймовірності перевороту спина в присутності зовнішнього магнітного поля, дослідники провели динамічну симуляцію транспорту квазімонополів. Швидкість їх переміщення з одного вузла решітки на інший склала в середньому близько п'яти наносекунд при доданому полі, рівному 180 міллітесла.
У висновку автори сподіваються, що їхня робота стане важливим кроком у практичній реалізації ідеї магнетричества у вигляді магнетронних пристроїв, що працюють на струмах магнітних зарядів. Фізики очікують, що такі пристрої будуть органічним розвитком існуючих технологій зберігання і передачі пам'яті, заснованих на намагніченості.
Спинові шибки давно цікавлять фізиків. Раніше ми вже розповідали, як фізики розрахували в ньому щільність станів магнітних квазімонополів і як спинові шибки самоутворюються в монокристалічних острівцях неодима.