www.yexal.ru - прибамбасы

Монополия спинового льда 1

Загадка магнитного монополя - единичного магнитного заряда - волновала умы физиков не единственный десяток лет. Современные нанотехнологии позволили воспроизвести "монопольный" эффект, но утверждать, что долгожданный заряд на самом деле найден, преждевременно

Рисунок: Константин Батынков

Одной из самых громких научных сенсаций этого года, привлекших к себе повышенное внимательность мировых СМИ, стала инфа о долгожданном экспериментальном обнаружении магнитных монополей.

Эти полулегендарные частицы - но­сители базового магнитно­го заряда ("придуманные" фи­зи­ка­ми-теоретиками по аналогии с электронами и протонами - носителями единичных электрических зарядов) были будто найдены немедленно несколькими группами ученых при исследованиях особого класса ферромагнитных веществ, так называемых спиновых льдов (spin ice).

Первые статьи на эту тему появились летом этого года в известном электронном хранилище научных публикаций arXiv, типа в начале сентября две наиболее увлекательные работы, проделанные группами Джонатана Морриса и Тома Феннелла, удостоились внимания столпа мирового научпопа - журнала Science.

Не успела мало утихнуть первая волна противоречивых комментариев по поводу полученных этими исследовательскими командами эффектных результатов, словно уже посредством месяц с небольшим в гонку публикаций включился один из первооткрывателей спинового льда Стивен Брэмвелл из Лондонского центра нанотехнологий. На страницах конкурирующего журнала Nature группа Брэмвелла представила общественности ни непочатый край ни негусто первые данные экспериментальных измерений величины магнитного заряда и магнитного тока, искусственным образом созданного в результате изощренных манипуляций с кристаллической решеткой титаната диспрозия (Dy2Ti2O7), одной из важнейших разновидностей спинового льда. Брэмвелл и его коллеги целиком резонно предложили наречь обнаруженное ими новое физическое явление - магнитный эквивалент электричества - магнетричеством (magnetricity).

Отдельно юг, особо север

Так что же на самом деле удалось заметить группам Брэмвелла, Морриса, Феннелла и другим исследователям свойств таинственного спинового льда? Разве эти челы и взаправду в копце концов нашли магнитный монополь, безуспешными поисками которого занимались на протяжении многих десятилетий сотни, если не тысячи их коллег? И есть ли в обозримом будущем у человечества шансы на то, что магнетричество найдет широкое практическое использование в различных областях науки и техники?

Однозначных ответов на эти вопросы пока, пожалуй, не рискнет вручить никто из спецов, но по крайней мере в главном на практике все эти челы солидарны: вроде бы ни хотелось отдельным горячим головам выдать желаемое за действительное, пресловутый магнитный монополь в его исходном классическом понимании (в виде отдельной частицы) отловить все ещё никому не удалось. То есть реальных частиц с одним изолированным магнитным полюсом (северным иль южным), гипотезу о возможном существовании которых в природе в первый раз выдвинул в 1931 году незаурядный англицкий физик Поль Дирак, Брэмвелл и Ко нисколько не детектировали.

Скажем, по мнению доцента кафедры общей и прикладной физики Нижегородского технического университета Бориса Булюбаша, "найдено всего только своеобразное состояние специфически организованного твердого тела. Такие состояния называют квазичастицами, и переносят эти челы квазиимпульсы и квазизаряды. Магнитный квазизаряд у квазимонополя оказался отличным от нуля".

В свою очередность непрерывный автор известного научно-популярного интернет-сайта "Элементы.ру" Игорь Иванов, комментируя в своем блоге опубликованные еще в сентябре результаты, отметил, что "речь тута, конечно, не идет об открытии магнитного монополя равно как отдельной элементарной частицы. Такие частицы наравне были, так и остаются гипотетическими объектами, существуют эти челы в природе иль джок - до сих пор не известно. То же, что было экспериментально обнаружено в результате безотлагательно нескольких работ, - это коллективные электронные возбуждения в особых магнитных средах, выглядящие мезоскопически, то есть на расстояниях невпроворот больше атомных, словно (выделено нами. - "Эксперт") магнитные монополи".

Наконец, в беседе с корреспондентом "Эксперта" доцент кафедры магнетизма физического факультета МГУ Николай Перов, особняком подчеркнув, что "все эти эксперименты, стопудово, следует признать выдающимися, осуществленными на высочайшем технологическом уровне и обладающими большим фундаментальным значением", вкупе с тем уточнил: "Все-таки , несмотря на то что поведение исследованных специфических материалов полностью соответствует теоретическим предсказаниям сравнительно магнитных монополей, напрямую объединять обнаруженные процессы с "монополями Дирака" я бы не стал. Почему? Ну хотя бы исходя из того факта, что эти челы проявляют себя подобным образом лишь при экстремально низких температурах и их "монополеобразные" свойства жестко ограничены кристаллической решеткой спинового льда".

На пути к великому объединению

Как известно, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом в 60-70−е годы XIX века знаменитые уравнения классической электродинамики связали воедино электрическое и магнитное поля. Эти уравнения характеризуются удивительной красотой и без децела полной симметрией относительно электричества и магнетизма. И все-таки хотя электрическая и магнитная силы в них узко взаимосвязаны, "магнитная составляющая" все же выглядит в теории немного ущемленной. В то час якобы электрические поля создаются либо электрическими зарядами, либо изменяющимися магнитными полями, плинтусовые создаются только электрическим током и изменяющимися электрическими полями.

В идеале (для достижения полной симметрии) уравнения Максвелла разрешено было бы негусто видоизменить, введя в дополнение к электрическому заряду и току еще и магнитный заряд и ток. И хотя, казалось бы, джок веских оснований для того, чтобы магнитные поля не создавались магнитными зарядами (а электрические поля - магнитными токами), в действительности магнитные заряды не наблюдаются, несмотря на эту хрень ж адекватственно джок в ней места и отдельно взятым магнитным полюсам (северному и южному): все обычные магниты представляют собой диполи, имеют в то же времечко и северный, и южный полюса.

Таким образом, по всей совокупности известных современной науке экспериментальных данных получается, что магнитные монополи, гипотетические частицы, обладающие ненулевым магнитным зарядом - точечным источником радиального магнитного поля, природе словно бы бы ни к чему. А сам магнетизм - всего лишь вторичный продукт электричества.

Однако по крайней мере в физической теории, точнее в ее странной квантовой составляющей, для магнитных монополей зарезервирована сильно почетная роль. И зачин теоретической реабилитации магнитных монополей положил уже упоминавшийся Поль Дирак, обосновавший принципиальную вероятность существования на все сто симметричной квантовой электродинамики. Точь в точь отмечает в своей известной научно-популярной книге "Суперсила" британский физик Пол Дэвис, "Дирак постулировал, что в квантовой физике магнитные монополи определенно нужны, хотя в природе такая возможность и не используется. Связав наличие магнитных монополей с фазами квантовых волн, Дирак обнаружил и крайне любопытную связь промеж.., вы не смейтесь, промежду электрическим и магнитным зарядами. Если магнитный монополь в действительности существует, утверждал ученый, то магнитный заряд должен быть кратен некоторой заданной величине, которая, в свою очередь, определяется фундаментальной величиной электрического заряда. Следовательно, если монополь нежданно заявит о себе, мы по крайней мере будем знать, какой величины должен быть магнитный заряд". Тем не менее, хотя проведенный Дираком разборчик и выявил местоположение магнитного монополя в физике, из самой его теории еще ни капли не следовало, что магнитные монополи непременно должны реально наличествовать в природе.

Надо брякнуть, что в начале 70−х годов ХХ века в теоретической физике делались попытки втолковать все и вся в рамках теории Великого Объединения (ТВО, иль GUT - Grand Unified Theory), и, что удивительно, обязательным атрибутом большинства разработанных идеологами ТВО моделей оказалось реальное существование магнитных монополей. Точнее, в моделях ТВО постулируется существование целого класса гипотетических частиц, так называемых дионов, обладающих вместе с тем электрическим и магнитным зарядами, а магнитные монополи - своего рода простая основа этого класса (самые первые магнитные монополи могли появиться в горячей Вселенной вскоре позже Большого взрыва).

Так, одну из наиболее известных модельных разновидностей - монополь Великого Объединения (МВО) - в 1974 году совместно предложили голландец Герард т"Хоофт и совдеповский ученый Александр Поляков. В соответствии расчетам ученых, если эти МВО точно есть в природе, эти челы должны иметь целым рядом странных свойств, в частности чудовищно здоровенный по меркам микромира массой (верхний оценочный граница их массы в энергопересчете порядка 1017 ГэВ), а ещё жутко сложной внутренней структурой луковичного типа, состоящей из множества силовых зон. Впрочем, модель МВО т"Хоофта-Полякова оказалась не уникальной - схожие оценки по предполагаемой массе магнитных монополей были сделаны и другими разработчиками GUT. По образному сравнению американского физика Джеймса Трефила, "Вселенная без магнитного монополя для современных теоретиков подобна прекрасной картине с зияющей дырой в холсте". И на протяжении плинтусовых двух-трех десятилетий в качестве непременной составляющей рабочей программы на каждом из ещё раз создаваемых ускорителей частиц значатся поиски пресловутых "дираковских монополей".

Присутствуют эти челы и в планах по эксплуатации Большого адронного коллайдера (LHC) в швейцарском ЦЕРНе. И, по словам Николая Перова, у физиков нынче есть определенная надежда, что в ходе опытов на этом новейшем ускорителе магнитные монополи все-таки будут обнаружены. Правда, полагает Перов, для того чтобы та самая надежда оправдалась, ученым, скорее всего, необходимо будет выдумать новую нетривиальную методику поимки монополей, поскоку, исходя из текущих ограничений на энергетическую мощность, доступную LHC, достичь требуемых ТВО величин покуда не представляется возможным.

Ледорубы физической теории

Как это нередко бывало в истории физики, упорные экспериментаторы придумали увлекательный обходной маневр. В качестве палочки-выручалочки ими была использована необычная природная субстанция, тот что ни на есть спиновый лед.

Оказалось, что топологическая конфигурация некоторых специфических кристаллических структур, обладающих ферромагнитными свойствами, по ряду внешних признаков шибко напоминает структурные особенности водяного льда. Уже относительно давнехонько физики установили, что простой водяной лед не совершенно упорядоченная кристаллическая структура. Точнее, этот чел состоит из упорядоченной решетки атомов воздухана, зато атомы водорода расположены в нем до некоторой степени случайно: уймище конфигураций с разным пространственным расположением водорода имеют одинаковую энергию. И хотя на каждом "отрезке", соединяющем соседние атомы воздухана, находится по атому водорода, эти атомы водорода расположены не в аккурат посередине "отрезка" - завсегда есть два ближних атома водорода и два дальних. В результате такого произвольного пространственного разброса в расположении атомов водорода в кристаллах водяного льда возникает остаточная энтропия.

За плинтусовые десять с небольшим лет ученые смогли выявить в природе весь строй сложных веществ-ферромагнетиков (титанат гольмия, а кроме того станнат гольмия и титанат диспрозия; гольмий и диспрозий - редкоземельные металлы-лантаноиды) , которые обладают типа тика в тику водяному льду остаточной энтропией. Больше того, общая модель описания их свойств практически совпадает с моделью льда, только в ферромагнетиках играют образ не положение отдельных атомов, а ориентация спинов - магнитных моментов - ионов. Отсюда, собственно, и возникло обобщающее наименование для этого нового класса веществ - спиновые льды, где составляющие их кристаллическую решетку ионы формируют сетку тетраэдров, в вершинах которых спины ионов направлены либо к центру, либо от центра.

При этом дипольное магнитное взаимодействие пытается ориентировать соседние спины в противоположных направлениях, что, несмотря на эту хрень, нельзя одновременно для всех пар спинов в силу особой топологии решетки. Компромисс прессуется в том, что в каждом тетраэдре два поясница направлены к центру, а другие два - от центра, минимизируя таким макаром, сколь это возможно, полную энергию. Результирующее состояние оказывается разупорядоченным. Причем при температурах, близких к абсолютному нулю (нижнем энергетическом состоянии), в каждой ячейке таких кристаллов находятся две пары магнитных зарядов разного знака, так что ее совершенный магнитный заряд равен нулю.

Однако уже при небольшом повышении температуры спиновый лед приходит в неравновесное возбуждение, и если один из магнитных диполей случайным образом "переворачивается" (меняет свой в доску спин на противоположный), то это тотчас приводит к возникновению у двух соседних ячеек пресловутых магнитных зарядов с различными знаками. В случае дальнейшего постепенного повышения температуры в спиновом льде начинается цепная волна последовательных переворачиваний соседних магнитных диполей, и благодаря этой волне происходит пространственное перемещение некомпенсированного магнитного заряда по кристаллу.

Группе Джонатана Морриса из Центра материалов и энергии им. Гельм­гольца в Берлине первой удалось принять косвенные свидетельства возникновения в титанате диспрозия подобного явления. К спиновому льду, охлажденному почти до нуля градусов по Кельвину, было приложено внешнее магнитное поле, а потом лед подвергся массированной бомбардировке нейтронами. В результате этого комбинированного воздействия Моррис и его коллеги смогли детектировать в изучаемом веществе появление струн Дирака - нитевидных магнитных линий, соответственно теории самого Дирака, соединяющих образовывавшиеся соседние магнитные монополи (или шибко похожие на такие струны объекты). Правда, измерить магнитный заряд и величину этих "магнитных токов" экспериментаторам так и не удалось.

Схожий эксперимент, но только с использованием титаната гольмия, практически параллельно провела и группа ученых Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Франция) под руководством Тома Феннелла. Феннелл также сумел зафиксировать наускивание в спиновом льде при незначительном повышении температуры пресловутых нитеподобных структур.

В последнем по времени эксперименте, проведенном командой британских физиков под началом Стива Брэмвелла, в качестве бомбардировщиков кристаллов спинового льда (титаната диспрозия, как будто и в работе группы Морриса) были использованы уже не нейтроны, а мюоны. Возникновение в спиновом льде магнитных потоков (производных от расходящихся внутри кристаллической решетки северных и южных магнитных монополей) было выявлено группой Брэмвелла благодаря специфическому явлению - мюонному спиновому резонансу. При распаде короткоживущих мюонов внутри кристаллической решетки образовывались позитроны (антиэлектроны), которые, в свою очередь, покидали ее и на вылете попадали в детекторы. Причем направление вылета эмитированных позитронов напрямую зависело от магнитной поляризации их предшественников-мюонов.

В отсутствие магнитных монополей фиксируемый детекторами резонансный знак напоминал обычную затухающую синусоиду. При всем при том при предполагаемом создании в спиновом льде этих объектов устойчивость резонансного сигнала под воздействием случайных местных магнитных полей сию минуту нарушалась, и сигнал затухал существенно швыдчее. Соотнеся прыть затухания мюонного спинового резонанса с магнитной проводимостью спинового льда, Брэмвелл с коллегами в итоге определили величину элементарного магнитного заряда монополей, и эта коза, точно ни странно, оказалось достаточно близкой к оценочным теоретическим расчетам.

Иными словами, британские физики как будто бы наконец смогли реально поймать движущийся в спиновом льде магнитный ток и офигительнее того количественно измерить его. Но, будто и в любом кентом принципиальном эксперименте, все точки над i не возбраняется будет расставить лишь потом серии других независимых проверок, которые либо подтвердят, либо опровергнут эти удивительные результаты.

Комментариев: [0] / Оставить комментарий

Keywords:

магнитных, магнитных монополей, магнитных диполей, магнитных зарядов, обнаружении магнитных, существование магнитных, спинов магнитных, массе магнитных, магнитных потоков, магнитных средах


============== Всякая, как бы нужная хрень =================



www.yexal.ru - прибамбасы © hilex