Die Jagd nach dem Magnetischer Monopol - IEEE Spectrum
Illustration: Bryan Christie Entwurf
Eines der ersten Dinge, die du über Elektromagnetismus lange lernen, bevor Sie in Ihre erste Physik gehen Klasse ist, dass jeder Magnet zwei Pole hat. Schneiden Sie einen Stabmagneten in der Hälfte und Sie aufzuwickeln mit zwei Magneten, von denen jeder seine eigenen Nord- und Südpole hat. Und das gilt für jedes einzelne Objekt in unserer Erfahrung, die ein magnetisches bietet Feld, ob er die ganze Erde oder ein Eisenatom ist. Es sind keine einsamen Pole.
Merkwürdigerweise gibt es aber keinen fundamentalen Grund, warum das der Fall sein muss. In der Tat gibt es ein paar guten Gründe zu vermuten, dass es vielleicht -floating etwa im Universum Single-gepolten magnetischen Objekten-magnetischer Monopole sein. Wenn diese Teilchen existieren, sind sie wahrscheinlich ziemlich selten, aber das hat sich die Physiker nicht aufgehört sie aus suchen. Hier ist der Grund: Wenn es sie gibt, sie zu beantworten helfen könnte Fragen über die Natur des Universums seit langem bestehende, beleuchten auf dem Weg Grundkräfte der Natur gebunden sind zusammen.
In jedem Fall so weit hat sich die Suche kommen trocken. Aber vor ein paar Jahren, meine Kollegen und ich, zusammen mit anderen Forschungsgruppen, kamen über Beweise für etwas, das aussieht und wirkt sehr ähnlich wie ein natürlich vorkommendes Monopol würde. Unsere Monopolen sind auf bestimmte Materialien beschränkt, und sie entstehen nur dann, wenn die Spins der Atome in der richtigen Art und Weise ausgerichtet sind. Aber im Gegensatz zu ihnen nach wie vor schwer, relativ unbeschränkten Brüder, sie bieten eine gewisse Hoffnung auf neue Technologien. Einen Tag könnten wir in der Lage sein, magnetische Ladungen zu manipulieren viel wie wir den Fluss der elektrischen Ladungen heute steuern. Es ist fast unmöglich, vorherzusagen, wo diese neue Fähigkeit führen könnte; wir konnten sehen, Geräte, die Berechnungen durchführen können oder auf völlig neue Weise Informationen oder Energie zu speichern. Aber bevor wir wissen können, was Monopolen tun können, müssen wir auf den Grund zu bekommen, wie sie sich verhalten.
Das meiste, was wir wissen, über Magnetfelder stammt aus der Mitte des 19. Jahrhunderts, als James Clerk Maxwell eine Reihe von Gleichungen debütierte, die die elektrischen und magnetischen Kräfte stammen beide aus einer einzigen Kraft demonstriert: Elektromagnetismus. Maxwell zeigte es Symmetrie in dieser Vereinigung: Wechselnde Magnetfelder erzeugen elektrische Ströme und bewegte elektrische Ladungen erzeugen Magnetfelder. Aber diese Symmetrie hat seine Grenzen. Elektrische Ladungen können positiv oder negativ sein, aber Magnete sind dipolar. Sie enthalten immer zwei „magnetische Ladungen“: ein Nord und einen Südpol.
Diese Asymmetrie war mehr oder weniger nur eine Kuriosität bis 1931. Das ist, wenn Physiker Paul Dirac zeigte, dass die Existenz einer magnetischen Version von Ladung -a magnetischen monopol könnte helfen, eine scheinbar willkürliche Tatsache erklären: warum Elektronen und andere geladene Teilchen nur quantisiert Mengen -Das heißt, ganzzahlige Vielfache einer Grund-elektrischen Ladung. Diese Erkenntnis bot die Möglichkeit, dass, auch wenn sie weit entfernt von unserer Alltagserfahrung, magnetische Monopole könnten nur existieren. Neuere theoretische Arbeit hat diese Idee wiederbelebt, da die Partikel auch in großen vereinheitlichten Theorien auftauchen, die zusammen fundamentale Naturkräfte zu binden versuchen.
Das Team vorgeschlagen für diese gefangenen Monopole bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt in Spin-Eis sucht, eigentümliche Klasse von Materialien mit Ionen angeordnet in vierseitigen Pyramiden, Tetraedern genannt. Diese Tetraedern sind gestapelt zusammen einen Kristall machen ein Pyrochlor genannt.
Eine Möglichkeit, dass Physiker spin-Eisstruktur visualisieren, ist durch Polarisationsrohre. Diese verbinden Spins von Süden nach Norden, ähnlich wie eine Conga-Linie. Ein Spin-Eis Tetraeders, die das Eis Regel gehorcht werden zwei Polarisations Röhren durchzogen haben [links]. Rohre beenden, wenn eine Monopol- present [rechts] ist.
Gerade wie Stabmagneten interagieren diese Spins miteinander elektromagnetisch und versuchen, sich so auszurichten, daß sie parallel oder antiparallel zueinander sind. Aber was Spin macht gefriert Spezial und was gibt ihnen ihren Namen-sind die Konfigurationen diese Spins in der durch die Geometrie des Kristalls gezwungen werden.
Wenn die Temperatur des kristallinen Materials relativ hoch ist, dass die Kräfte versuchen, die Spins auszurichten werden durch thermische Schwankungen leicht überfordert. Die Spins werden zufällig orientiert und leicht die Richtung ändern kann. Wenn das Material auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wird, beginnen die Kräfte zwischen den Spins zu dominieren. Die Spins der Atom natürlich beginnen, in die niedrigste, stabilste Energiezustand auszurichten: eine Konfiguration, in der zwei von jeweils vier des Tetraeders Spins in Richtung der Mitte der Pyramidenspitze und zwei Punkte nach außen.
Da Magnetfelder verläuft weit über jedes Atom, schlugen die Forscher, dass wir auf jedes Atom als verlängerten Hantel des Spin denken. Die Verbindungsstange ist am Kern des Atoms zentriert und endet in zwei verschiedenen magnetischen Ladungen: ein Nordpol an der Mitte eines Tetraeders und ein Südpol in der Mitte des andere. Wenn Sie in der Mitte eines dieser Tetraedern schauen, heben sich die Pole von den vier Ecken entweder gegenseitig oder zusammen addieren.
In dem Fall, in dem Eis-Regeln eingehalten werden, die zwei Nordpole und zwei Südpole einander aufheben. Aber hier ist es interessant: Wenn das Eis Regeln nicht befolgt-wenn, zum Beispiel, gibt es drei Spins nach innen gerichtet und einem zeigen nach außen dann den drei Nordpol und einem Südpol in der Mitte wird zu einem einzigen geben, magnetischer Nordpol. Voilà! Es ist dein Monopol. In ähnlicher Weise eine ein-in, drei-out-Konfiguration würde einen einzelnen, nach Süden Magnetischer Monopol machen.
Wir haben eine leistungsstarke Sonde wir auf der Hand schon hatte: Neutronenstrahlen. Weil sie keine elektrische Ladung hat, Neutronen passieren leicht durch die meisten Platz in einem Material, Verstreuen nur, wenn sie mit dem winzigen Kern in der Mitte von Atomen kollidieren. Aber sie haben auch intrinsische magnetische Momente, so dass sie durch die Magnetfelder der Atome abgelenkt werden. Shine a Neutronenstrahl durch ein Material und das Muster sie auf der anderen Seite machen kann Ihnen sagen, bestimmte Dinge über die magnetische Struktur, die die Neutronen verursacht zu beugen. Es ist die normalen Weg Physiker Studiensubjekte so vielfältig wie die Struktur von Proteinen, Stämme in Strahltriebwerksschaufeln, und die magnetischen Wechselwirkungen in Supraleitern.
Biegen Neutrons
Bilder: D.J.P. Morris
Die Physiker können für Polarisationsrohre aussehen oder Strings, dass Link Monopole durch Neutronen durch eine Spin-Eis Probe glänzend. Diese Idealisierungen zeigen, was die resultierende Neutronenstreuung Daten aussehen könnten, wenn ein ausreichend starkes Magnetfeld verwendet wird, um alle Spins auszurichten, so dass keine Strings [top] existieren und wenn dieses Magnetfeld ausgeschaltet, so können Strings bilden [unten].
In einem Spin-Eis, sind Neutronen besonders gut geeignet, um aufgreift Korrelationen zwischen den Spins-how eng verwandt die Ausrichtung eines Spin zu einem anderen ist. Wir denken, dieser Ausrichtungen als „Polarisations tubes“ -Ketten von Spins, dass vereinbarungsFluss von Süden nach Norden. In einem gewöhnlichen Tetraeders, die Eis Regeln gehorcht, haben Sie zwei solcher Rohre fließt durch das Zentrum; Jeder tritt in den Tetraeders durch einen Spin mit der Nordseite zeigt in und tritt durch einen mit der Nordseite des Hinweis auf. Wenn das Eis Regeln gebrochen werden, nur eine Polarisationsrohr wird den ganzen Weg durch das Tetraeders fließen und zwei anderen Rohren Polarisation in der Mitte beendet wird. Diese Endpunkte sind, wo wir erwarten sollten Monopole zu sehen. Andernfalls könnte man einfach ein Material enthält, ohne Polarisationsrohre sehen Endpunkte-Schleifen im wesentlichen eben.
Wenn Neutronen Polarisationsrohre streuen off, lassen sie charakteristische Muster in den Positionen von Neutronen, die unseren Detektoren treffen. Aber die Struktur Folgern verantwortlich für dieses Muster ist schwer zu tun. Wenn Sie alle Polarisationsrohre in einem Spin-Eis visualisieren könnten, würden Sie haben, was wie eine Schüssel Spaghetti aussehen würde. Wenn Sie einen einzelnen Strang durch einen Stapel zu folgen versuchen, würden Sie schnell in einem 3-D-Knoten verloren gehen.
Dies steht im Einklang mit dem, was wir sehen erwarten würden, wenn Monopole vorhanden waren, und hatten genug Energie von einer migrieren voneinander weg, hinter einer Reihe von blätterte Spins zu verlassen. Aber wir brauchten eine Möglichkeit, es zu bestätigen, am Ende der Saiten in der Tat Monopolen war.
Glücklicherweise wurden Meissner-Arbeit einige Kollegen von uns in Berlin-Clemens Czternasty, Bastian Klemke und Michael nur auf ein solches Experiment. Sie wurden der Untersuchung der Wärmekapazität des Spin-Eis, ein Maß dafür, wie viel Energie benötigt wird, auf eine Temperatur des Materials zu ändern. Wärmekapazität wird auf die Anzahl von verschiedenen Konfigurationen verbunden, um ein Material zu nehmen. Für Wasser, entspricht sie die Anzahl von möglichen Anordnungen der Wasserstoff- und Sauerstoffatom. Für ein Spin-Eis, wird es auf die Anzahl der Spinorientierungen bezogen. Die Anzahl der möglichen Konfigurationen ist mit wie viel Energie auf die Materialien zur Verfügung steht, so Wärmekapazität ist ein sehr empfindliches Maß für den Zustand des Systems.
Eine der Fragen, die ich viel nach unserer Wissenschaft Papier herauskam, war, ob die Monopole wir in Spin-Eis gefragt wurde, gefunden hatten, „echte“ magnetische Monopole in Betracht gezogen werden könnten.
Wenn diese Monopolen sind nicht die für Physiker von Teilchen durchsucht Objekte, können wir sie mit Fug und Recht magnetischen Monopolen nennen? Die Wärmekapazitätsmessungen unser Team durchgeführt legen nahe, dass Spin-Eis Monopole wirklich eine magnetische Ladung zu tragen scheinen, und ihre Wechselwirkungen imitieren die grundlegende Art und Weise, dass positive und negative magnetische Ladungen im Vakuum in Wechselwirkung treten würden.
Weil wir immer noch die grundlegende Physik Aussortieren, haben wir gerade erst angefangen darüber nachzudenken, Anwendungen zu starten. Eine faszinierende Möglichkeit ist „magnetricity“ -a magnetische Form von Elektrizität. Mit dem richtigen Magnetfeld, könnte es möglich seine Monopole durch Spin-Eis zu ziehen in die gleiche Art und Weise, dass die Spannung verwendet wird Strom durch Drähte zu ziehen. Die Besonderheiten der Spin-Eis-Geometrie nicht magnetischer Strom fast so einfach machen, aber. Da bewegen Monopole eine Spur von blätterte Spins hinter sich lassen, dann ist es unmöglich, ein zweites Monopol auf dem gleichen Weg zu fahren. Das schließt eine Monopol- Gleichstrom, aber es macht das Fenster offen lassen für Monopol- Wechselstrom und Geräte.
Da die Spins in einem Spin-Eis drehen können, kann das Material auch in der Lage sein, ein magnetisches Feld zu screenen und speichern magnetischer Energie viel wie ein Dielektrikum des Fall ist. Was mehr ist, gibt es einige Hinweise darauf, dass es möglich sein könnte, um das Material zu dotieren, ähnlich die Art und Weise, die Verunreinigungen zu einem Halbleiter hinzugefügt werden seine ladungstragende Eigenschaften zu steigern. Im vergangenen Jahr zeigte, dass Monopole gemacht werden könnten langsamer durch ein Spin-Eis zu bewegen, wenn mehrere magnetischen Ionen zur Mischung hinzugefügt wurden. Wenn das Spin-Eis dotiert werden kann, um die Geschwindigkeit von Monopolen durch das Material zu verändern, ist es nicht unvernünftig magnetische Analoga zu grundlegenden elektrischen Gerätekomponenten wie Kondensatoren und Kreuzungen vorstellen.
Aber es gibt ein paar großen Stolpersteine haben wir würden zu überwinden, bevor wir irgendwo in der Nähe bekommen konnten praktisch Magne Geräte zu machen. Eine davon ist die Reinheit der Proben: Selbst winzige strukturellen Defekte die Strömung von Monopolen blockieren können. Die andere ist die Temperatur. Um ein Spin-Eis gefriert und schaffen Monopole, müssen Sie solche Materialien auf sehr niedrigen Temperaturen kühlen, typischerweise in der Größenordnung von einem Grad über die absolute Null etwa 1 K oder -272 ° C. Es ist unklar, ob wir ein Material zu schaffen, die einen Spin-Eis-Übergang bei praktischen Temperaturen unterzogen werden kann. Die magnetischen Momente der Atome oder die Wechselwirkungen zwischen ihnen, müssen enorm sein würde, die Scrambling-Effekte von Wärmeenergie bei höheren Temperaturen, und kein solches Material ist gegenwärtig bekannt entgegenzuwirken zu existieren.
Eine Alternative Monopol- System, das entstanden ist „künstliches Spin-Eis.“ Diese künstlichen Materialien sind zweidimensionale Systeme, die aus nanoskaligen Flecken-Inseln entweder oder Drähten-aus einem ferromagnetischen Material wie Kobalt hergestellt werden können. A Abmessungen des Patch werden, so dass die magnetischen Momente der Atome ausgewählt darin in Richtung einer Scheitelpunkt zwischen den Nachbarn zeigen. Wenn diese Patches entweder in einer Wabe oder einer quadratischen Struktur angeordnet sind, können Sie ihre magnetischen Momente erhalten zu Eis Regeln zu gehorchen. Ein quadratisches Gitter der gleichen zwei-in, zwei-out-Regeln als gewöhnliches Spin-Eis gehorchen. In einem Wabengitter, wo drei Flecken an jedem Scheitelpunkt treffen, gibt es immer ein Überschuss magnetische Ladung.
Dennoch ist es noch zu früh für das magnetische Monopol, und ich würde leistungsfähige Anwendungen nicht aus, die noch nicht vorgestellt werden. Eine Magne Revolution könnte nur über den Horizont sein.