Diamantet ndihmojnë në zbulimin e kuazi-grimcave ‘të pamundura’

Studiuesit kanë zbuluar monopole magnetike – ngarkesa magnetike të izoluara – në një material të lidhur ngushtë me ndryshkun, një rezultat që mund të përdoret për të fuqizuar teknologjitë kompjuterike më të gjelbra dhe më të shpejta.

Studiuesit e udhëhequr nga Universiteti i Kembrixhit përdorën një teknikë të njohur si ndjeshmëria kuantike e diamantit për të vëzhguar strukturat rrotulluese dhe sinjalet magnetike të dobëta në sipërfaqen e hematitit, një lloj oksidi hekuri.

Studiuesit vunë re se monopolet magnetike në hematit shfaqen përmes sjelljes kolektive të shumë rrotullimeve (momenti këndor i një grimce). Këto monopole rrëshqasin nëpër teksturat rrotulluese në sipërfaqen e hematitit si toptha të vegjël hokej me ngarkesë magnetike. Kjo është hera e parë që monopolet emergjente natyrore janë vëzhguar eksperimentalisht.

Hulumtimi ka treguar gjithashtu lidhjen e drejtpërdrejtë midis teksturave rrotulluese të fshehura më parë dhe ngarkesave magnetike të materialeve si hematiti sikur ekziston një kod sekret që i lidh ato së bashku. Rezultatet, të cilat mund të jenë të dobishme për të mundësuar aplikacionet e logjikës dhe kujtesës së gjeneratës së ardhshme, janë raportuar në revistën Nature Materials .

Sipas ekuacioneve të James Clerk Maxwell, një gjigant i fizikës së Kembrixhit, objektet magnetike, qoftë një magnet i frigoriferit apo vetë Toka, duhet të ekzistojnë gjithmonë si një palë polesh magnetike që nuk mund të izolohen.

“Magnetët që përdorim çdo ditë kanë dy pole: veri dhe jug”, tha profesori Mete Atature, i cili drejtoi studimin. “Në shekullin e 19-të, u hipotezua se monopolet mund të ekzistonin. Por në një nga ekuacionet e tij themelore për studimin e elektromagnetizmit, James Clerk Maxwell nuk u pajtua.”

Atature është Shefi i Laboratorit Cavendish të Kembrixhit, një pozicion që dikur e mbante vetë Maxwell. “Nëse monopolet do të ekzistonin, dhe ne do të ishim në gjendje t’i izolonim ata, do të ishte si të gjenim një pjesë të munguar të enigmës që supozohej se kishte humbur,” tha ai.

Rreth 15 vjet më parë, shkencëtarët sugjeruan se si mund të ekzistojnë monopolet në një material magnetik. Ky rezultat teorik mbështetej në ndarjen ekstreme të poleve veriore dhe jugore, kështu që, në nivel lokal, çdo pol u shfaq i izoluar në një material ekzotik të quajtur akull spin.

Megjithatë, ekziston një strategji alternative për të gjetur monopole që përfshijnë konceptin e shfaqjes. Ideja e shfaqjes është kombinimi i shumë entiteteve fizike që mund të krijojnë veti që janë ose më shumë se ose të ndryshme nga shuma e pjesëve të tyre.

Duke punuar me kolegë nga Universiteti i Oksfordit dhe Universiteti Kombëtar i Singaporit, studiuesit e Kembrixhit përdorën shfaqjen për të zbuluar monopole të përhapura në hapësirën dydimensionale, duke rrëshqitur nëpër teksturat rrotulluese në sipërfaqen e një materiali magnetik.

Teksturat topologjike rrotulluese gjenden në dy lloje kryesore materialesh: ferromagnet dhe antiferromagnet. Nga të dy, antiferromagnetët janë më të qëndrueshëm se feromagnetët, por janë më të vështirë për t’u studiuar pasi nuk kanë një nënshkrim të fortë magnetik.

Për të studiuar sjelljen e antiferromagneteve, Atature dhe kolegët e tij përdorin një teknikë imazherike të njohur si magnetometria kuantike e diamantit. Kjo teknikë përdor një rrotullim të vetëm – vrullin e natyrshëm këndor të një elektroni – në një gjilpërë diamanti për të matur me saktësi fushën magnetike në sipërfaqen e një materiali, pa ndikuar në sjelljen e tij.

Për studimin aktual, studiuesit përdorën teknikën për të parë hematitin, një material antiferromagnetik i oksidit të hekurit. Për habinë e tyre, ata gjetën modele të fshehura të ngarkesave magnetike brenda hematitit, duke përfshirë monopolet, dipolet dhe katërpolet.

“Monopolet ishin parashikuar teorikisht, por kjo është hera e parë që ne kemi parë në të vërtetë një monopol dydimensional në një magnet që ndodh natyrshëm,” tha bashkëautori Profesor Paolo Radaelli nga Universiteti i Oksfordit.

“Këto monopole janë një gjendje kolektive e shumë rrotullimeve që rrotullohen rreth një singulariteti dhe jo një grimce të vetme fikse, kështu që ato shfaqen përmes ndërveprimeve me shumë trupa. Rezultati është një grimcë e vogël, e lokalizuar e qëndrueshme me fushë magnetike divergjente që del prej saj.” tha bashkëautori i parë Dr. Hariom Jani, nga Universiteti i Oksfordit.

“Ne kemi treguar se si magnetometria kuantike e diamantit mund të përdoret për të zbuluar sjelljen misterioze të magnetizmit në materialet kuantike dydimensionale, të cilat mund të hapin fusha të reja studimi në këtë fushë,” tha bashkëautori i parë Dr. Anthony Tan nga Laboratori Cavendish. “Sfida ka qenë gjithmonë imazhi i drejtpërdrejtë i këtyre teksteve në antiferromagnet për shkak të tërheqjes së tyre më të dobët magnetike, por tani ne jemi në gjendje ta bëjmë këtë me një kombinim të bukur diamantesh dhe ndryshku.”

Studimi jo vetëm që nxjerr në pah potencialin e magnetometrisë kuantike të diamantit, por gjithashtu nënvizon aftësinë e saj për të zbuluar dhe hetuar fenomene magnetike të fshehura në materialet kuantike. Nëse kontrollohen, këto tekstura rrotulluese të veshura me ngarkesa magnetike mund të fuqizojnë logjikën e memories kompjuterike super të shpejtë dhe efikase në energji.