Herstellung von magnetischen Monopolen und andere Exoten, im Labor, Symmetrie Magazin
Physiker Shou-Cheng Zhang. Foto: Lauren Schenkman
Zhang ist ein kondensierter Materie Theoretiker an der Stanford-Institut für Materialien und Energie Science (SIMES), ein gemeinsames Institut der SLAC National Accelerator Laboratory und der Universität Stanford. Er studiert Feststoffe, die ungewöhnliche elektromagnetisches und Quantenverhalten aufweist, mit einem Auge in Richtung ihrer Verwendung in der Informationsspeicherung. Aber aufgrund seiner Ausbildung als Teilchenphysiker, Zhang hält immer das große Bild im Auge behalten. Deshalb ist es so einfach war, für ihn zu sehen, dass das Material, das er bereits arbeitete verhalten könnte wie das, was Theoretiker nennen ein magnetischer Monopol, eine isolierte Nord- oder Südpol.
Das Monopol ist gedacht als elektrische Ladung der magnetischen Cousin, aber im Gegensatz zu positiven oder negativen Ladungen, Nord- oder Südpole entsteht immer dann zusammen, was ein Dipol genannt wird. Ein einsamer Nord- oder Südpol einfach nicht zeigt in der realen Welt. Selbst wenn Sie einen Stabmagnet nehmen und es in der Mitte der Mitte geschnitten, werden Sie nicht über einen separaten Nord- und Südpol, aber zwei neue Dipolmagneten statt. Für Symmetrie gesinnten Theoretiker jedoch ist es natürlich, dass es ein magnetisches Äquivalent Ladung sein sollte. Stringtheorien und große vereinheitlichte Theorien stützen sich auf seiner Existenz und seine Abwesenheit untergräbt den mathematischen Feng-Shui der ansonsten eleganten Maxwell-Gleichungen, die das Verhalten von Elektrizität und Magnetismus regieren. Was mehr ist, würde die Existenz eines magnetischen Monopols ein weiteres Geheimnis der Physik erklären: warum Ladung quantisiert; das heißt, warum es scheint, nur in Ordnung Pakete von etwa 1.602x10 -19 Coulomb, die Ladung eines Elektrons oder Protons zu kommen.
Aber in mehr als 30 Jahren des Suchens, ist niemand in der Lage gewesen, schlüssig diese Teilchen nachzuweisen. Beschleuniger-Experimente wurden nicht erfolgreiche, führende Wissenschaftler glauben, bestehende Monopole müssen viel zu schwer sein, auch den Large Hadron Collider zu schaffen, in.
Interessanterweise hat Zhangs magnetisches Monopol nicht vom Himmel fallen; Stattdessen war es auf der anderen Seite des Spiegels ein ruhiges Leben führen, aber eine der ganz besonderen Art der Legierung hergestellt Spiegel. Was mehr ist, sagt Zhang, die Mathematik, die Wirkung zu beweisen, ist sehr klar. „Man könnte den letzten Teil der mathematischen Ableitung als eine Abschlussprüfung in einer Junioren oder Senioren Jahr Bachelor Physik Klasse geben.“
Um zu verstehen, wie ein Material wie ein magnetischer Monopol wirken kann, hilft es, zunächst zu prüfen, wie ein gewöhnliches Metall wirkt, wenn eine Ladungs eines Elektron, sagt-gebracht nahe die Oberfläche. Da sich gleiche Ladungen abstoßen, die Elektronen an der Oberfläche Rückzug in das Innere, das zuvor neutrale Oberfläche verlassen positiv geladen. Das sich ergebende elektrische Feld sieht genauso aus wie der eines Teilchens mit positiver Ladung die gleiche Abstand unterhalb der Oberfläche ist es das positive Spiegelbild des Elektrons. In der Tat, aus der Sicht des Betrachters, ist es unmöglich, den Unterschied zu erkennen.
Das Konzept einer Bildladung ist etwas Bachelor-Studierenden der Physik in ihrer ersten Elektrizität und Magnetismus Klasse begegnen, zusammen mit der Idee, dass das magnetische Monopol nicht existiert. Aber Zhangs „Spiegel“ Legierung ist kein gewöhnliches Material. Es ist, was ein topologischer Isolator genannt wird, eine seltsame Rasse festen Zhang ist spezialisiert auf, in denen „die Gesetze der Elektrodynamik dramatisch verändert,“ sagt er. In der Tat war, wenn ein Elektron nahe an die Oberfläche eines topologischen Isolators gebracht, Zhangs Papier zeigt, würde etwas wirklich unheimlich passieren. Statt einer gewöhnlichen positiven Ladung, sagt Zhang, „Sie würden bekommen, was in dem wie ein Magnetischer Monopol sieht‚Spiegel‘.“
Um zum Beispiel von Bildladungen zurückgehen, ist es wichtig zu betonen, dass es nicht tatsächlich die Hälfte eines Stabmagneten ist irgendwo in diesem Material. Stattdessen Zhang entdeckt, aufgrund einer Besonderheit des Materials starken Spin-Bahn-Kopplung genannt, würde das in der Nähe Elektron einen Strom in der Oberfläche induziert, die aus ständig, ohne zu sterben zirkuliert. Dies wiederum-Bachelor Physik Majors, erhalten Sie Ihre Bleistifte-würde ein Magnetfeld erzeugen, die wie die eines magnetischen Monopols aussieht. Experimentatoren versucht haben, bevor dieses Feld anzunähern, beispielsweise durch Permanentmagneten in bestimmter Weise angeordnet werden. Aber zu einem Beobachter von außen, Zhangs Material wäre völlig ununterscheidbar von der Monopol- Teilchen, das Physiker hofft, wurden in ihren supraleitenden Detektoren zu fangen.
„Wir mögen es, Dinge zu finden, die nicht existieren“, sagt Zhang. Seine Arbeit an der Monopol- hat weitere Verzweigungen; Dies könnte ein Weg sein, physisch eine Anzahl von Teilchen, die bisher zu realisieren, hat nur als mathematische Lücken in der Hochenergiephysik Theorien existieren. Zum Beispiel hat Zhang, dass das Elektron und Bild gezeigt Monopol- zusammen wie ein sogenannten „anyon“ handeln würde an der Oberfläche des festen entfernt. „The‚jeder‘in diesem Fall, wie in ist‚nichts‘,“ Zhang, erklärt sie-Teilchen sind, die nur in zwei Dimensionen vorliegen, der Eigenschaften spreizen die die beiden Klassen von dreidimensionalen Teilchen, Fermionen und Bosonen.
„Exotische Teilchen wie das magnetische Monopol, dyon, anyon und die axion fundamentale Rolle in unserem theoretischen Verständnis der Quantenphysik gespielt haben“, schreibt Zhang in dem Papier. „Experimentelle Beobachtung dieser exotischen Partikel in Tisch-Systeme kondensierter Materie konnten schließlich ihre tiefe Geheimnisse offenbaren.“ Topologische Isolatoren könnten eine neue experimentelle Auslass für Hochenergie-Physiker liefern. „Sie müssen nicht auf den Kosmos blicken“, sagt Zhang. „Ich denke, dass wir mehr von den schönen mathematischen Strukturen der Hochenergiephysik in der Physik kondensierter Materie realisiert werden sehen werden.“
Von Lauren Schenkman, Symmetrie intern
Update: Sie können einige Diskussion über diese auf den Spaß hören diese Woche in Science Podcast.