Diamanten und Rost helfen dabei, „unmögliche“ Quasiteilchen zu enthüllen

Forscher haben magnetische Monopole – isolierte magnetische Ladungen – in einem Material entdeckt, das eng mit Rost verwandt ist, ein Ergebnis, das für umweltfreundlichere und schnellere Computertechnologien genutzt werden könnte.

Forscher unter der Leitung der Universität Cambridge nutzten eine als Diamant-Quantensensorik bekannte Technik, um wirbelnde Texturen und schwache magnetische Signale auf der Oberfläche von Hämatit, einer Art Eisenoxid, zu beobachten.

Die Forscher beobachteten, dass magnetische Monopole in Hämatit durch das kollektive Verhalten vieler Spins (dem Drehimpuls eines Teilchens) entstehen. Diese Monopole gleiten über die wirbelnden Texturen auf der Oberfläche des Hämatits wie winzige Hockey-Pucks mit magnetischer Ladung. Dies ist das erste Mal, dass natürlich vorkommende entstehende Monopole experimentell beobachtet wurden.

Die Forschung hat auch den direkten Zusammenhang zwischen den zuvor verborgenen wirbelnden Texturen und den magnetischen Ladungen von Materialien wie Hämatit gezeigt, als ob es einen Geheimcode gäbe, der sie miteinander verbindet. Über die Ergebnisse, die bei der Ermöglichung von Logik- und Speicheranwendungen der nächsten Generation nützlich sein könnten, wird in der Zeitschrift berichtet Naturmaterialien.

Nach den Gleichungen von James Clerk Maxwell, einem Giganten der Cambridge-Physik, müssen magnetische Objekte, sei es ein Kühlschrankmagnet oder die Erde selbst, immer als Paar magnetischer Pole existieren, die nicht isoliert werden können.

„Die Magnete, die wir täglich verwenden, haben zwei Pole: einen Nord- und einen Südpol“, sagte Professor Mete Atatüre, der die Forschung leitete. „Im 19. Jahrhundert wurde die Hypothese aufgestellt, dass es Monopole geben könnte. Aber in einer seiner grundlegenden Gleichungen für das Studium des Elektromagnetismus war James Clerk Maxwell anderer Meinung.“

Atatüre ist Leiter des Cavendish Laboratory in Cambridge, eine Position, die einst Maxwell selbst innehatte. „Wenn es Monopole gäbe und wir sie isolieren könnten, wäre das so, als würde man ein fehlendes Puzzleteil finden, von dem man annahm, es sei verloren“, sagte er.

Vor etwa 15 Jahren schlugen Wissenschaftler vor, dass in einem magnetischen Material Monopole existieren könnten. Dieses theoretische Ergebnis beruhte auf der extremen Trennung von Nord- und Südpol, so dass lokal jeder Pol isoliert in einem exotischen Material namens Spin-Eis erschien.

Es gibt jedoch eine alternative Strategie zum Auffinden von Monopolen, die das Konzept der Emergenz beinhaltet. Die Idee der Emergenz ist die Kombination vieler physikalischer Einheiten, die Eigenschaften hervorbringen können, die entweder mehr als die Summe ihrer Teile sind oder sich von dieser unterscheiden.

In Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Oxford und der National University of Singapore nutzten die Cambridge-Forscher die Emergenz, um über den zweidimensionalen Raum verteilte Monopole aufzudecken, die über die wirbelnden Texturen auf der Oberfläche eines magnetischen Materials gleiten.

Die wirbelnden topologischen Texturen kommen in zwei Haupttypen von Materialien vor: Ferromagneten und Antiferromagneten. Von den beiden sind Antiferromagnete stabiler als Ferromagnete, aber sie sind schwieriger zu untersuchen, da sie keine starke magnetische Signatur haben.

Um das Verhalten von Antiferromagneten zu untersuchen, nutzen Atatüre und seine Kollegen eine bildgebende Technik, die als Diamant-Quantenmagnetometrie bekannt ist. Diese Technik nutzt einen einzelnen Spin – den Eigendrehimpuls eines Elektrons – in einer Diamantnadel, um das Magnetfeld auf der Oberfläche eines Materials präzise zu messen, ohne dessen Verhalten zu beeinflussen.

Für die aktuelle Studie untersuchten die Forscher mit dieser Technik Hämatit, ein antiferromagnetisches Eisenoxidmaterial. Zu ihrer Überraschung fanden sie versteckte Muster magnetischer Ladungen im Hämatit, darunter Monopole, Dipole und Quadrupole.

„Monopole wurden theoretisch vorhergesagt, aber dies ist das erste Mal, dass wir tatsächlich einen zweidimensionalen Monopol in einem natürlich vorkommenden Magneten sehen“, sagte Co-Autor Professor Paolo Radaelli von der Universität Oxford.

„Diese Monopole sind ein kollektiver Zustand vieler Spins, die um eine Singularität herumwirbeln, und nicht um ein einzelnes festes Teilchen. Sie entstehen also durch Vielteilchen-Wechselwirkungen. Das Ergebnis ist ein winziges, lokalisiertes stabiles Teilchen mit einem divergierenden Magnetfeld, das daraus hervorgeht.“ sagte Co-Erstautor Dr. Hariom Jani von der Universität Oxford.

„Wir haben gezeigt, wie die Diamant-Quantenmagnetometrie genutzt werden könnte, um das mysteriöse Verhalten des Magnetismus in zweidimensionalen Quantenmaterialien zu entschlüsseln, was neue Forschungsfelder auf diesem Gebiet eröffnen könnte“, sagte Co-Erstautor Dr. Anthony Tan vom Cavendish-Labor. „Die Herausforderung bestand schon immer darin, diese Texturen in Antiferromagneten aufgrund ihrer schwächeren magnetischen Anziehungskraft direkt abzubilden, aber jetzt ist uns dies mit einer schönen Kombination aus Diamanten und Rost möglich.“

Die Studie unterstreicht nicht nur das Potenzial der Diamant-Quantenmagnetometrie, sondern unterstreicht auch ihre Fähigkeit, verborgene magnetische Phänomene in Quantenmaterialien aufzudecken und zu untersuchen. Wenn diese wirbelnden, mit magnetischen Ladungen versehenen Texturen kontrolliert werden, könnten sie eine superschnelle und energieeffiziente Computerspeicherlogik antreiben.