חוקרים חשפו לראשונה את האופי הדינמי של מונופולים מגנטיים המתעוררים במגנטים אמיתיים.
מונופולים מגנטיים הם חלקיקים אלמנטריים עם מטענים מגנטיים מבודדים בתלת מימד. במילים אחרות, הם מתנהגים כקטבים צפוניים או דרומיים מבודדים של מגנט. מונופולים מגנטיים משכו עניין מחקר מתמשך מאז הצעתו הראשונה של הפיזיקאי פול דיראק ב-1931.
עם זאת, עדיין לא נצפו מונופולים מגנטיים אמיתיים וקיומם נותר שאלה פתוחה. מצד שני, מדענים גילו כמעט חלקיקים שמתנהגים כמונופולים מגנטיים במערכות חומר מעובה, וכתוצאה מכך נוצרות תופעות מעניינות.
לאחרונה גילו חוקרים שלחומר בשם מנגן גרמניד (MnGe) יש מבנה מחזורי ייחודי, שנוצר על ידי תצורות מגנטיות מיוחדות הנקראות קיפודים ואנטי-קיפודים, אשר נקראים סריג קיפוד מגנטי. בתצורות מיוחדות אלו, המומנטים המגנטיים מצביעים בצורה רדיאלית החוצה (קיפוד) או פנימה (אנטי קיפוד), בדומה לקוצים של קיפוד. קיפודים ואנטי קיפודים אלה פועלים כמו מונופולים מגנטיים ואנטי מונופולים, המשמשים כמקורות או כיורים של שדות מגנטיים עולים.
MnGe מציג את מה שמכונה סריג קיפוד משולש Q. עם זאת, ניסויים אחרונים הראו שההחלפה של Ge ב- Si (MnSi1-איקסGeאיקס) הופך את הסידור לארבעה-ש סריג קיפוד (4ש-HL). סידור חדש זה, נמצא גם בפרוסקיט פריט SrFeO3, מספק שדרה מבטיחה ללימוד ושליטה במאפיינים של סריגי קיפוד. יתר על כן, מונופולים מגנטיים אלה יכולים גם לגרום לשדות חשמליים באמצעות תנועה בהתאם לחוקי האלקטרומגנטיות של מקסוול. כדי להבין את התופעות הפיזיקליות החדשות שנוצרו, חיוני לחקור את ההתרגשות הטבועה בסריגי קיפוד.
ממצאי מחקר מאוניברסיטת וואסדה
במחקר שנערך לאחרונה, פרופסור Masahito Mochizuki ו-Ph.D. תלמיד הקורס Rintaro Eto, שניהם מהמחלקה לפיזיקה שימושית באוניברסיטת Waseda, חקרו באופן תיאורטי את מצבי העירור הקולקטיביים של 4Q-HLs ב-MnSi1-xGeאיקס ו-SrFeO3. "המחקר שלנו הבהיר לראשונה את האופי הדינמי הלא ידוע של מונופולים מגנטיים המתעוררים בחומרים מגנטיים. זה יכול לעורר ניסויים עתידיים על חומרים לאירוח קיפודים עם יישומים במכשירים אלקטרוניים ולגישור בין פיזיקת חלקיקים ופיזיקה של חומר מעובה", אומר מוצ'יזוקי. המחקר שלהם פורסם בכתב העת מכתבי סקירה פיזית ב-31 במאי 2024.
תוך שימוש במודל התלת מימדי של קונדו-סריג, החוקרים שיחזרו את שני ה-4 הנבדליםש-HLs שנמצאו ב-MnSi1-איקסGeאיקס ו-SrFeO3 וניתחו את המאפיינים הדינמיים שלהם. הם גילו שה-4של-HL יש מצבי עירור קולקטיביים הקשורים לתנודה של מיתרי Dirac. מיתר דיראק הוא מושג תיאורטי במכניקת הקוונטים המתאר מיתר המחבר מונופול מגנטי ואנטי מונופול מגנטי, במקרה זה, קיפוד ואנטי קיפוד.
החוקרים מצאו שמספר מצבי העירור הללו תלוי במספר ובתצורה של מחרוזות Dirac, מה שמציע דרך לקבוע באופן ניסיוני את התצורה המרחבית של קיפודים ואנטי-קיפודים והטופולוגיה הייחודית שלהם במגנטים אמיתיים כגון MnSi1-איקסGeאיקס ו-SrFeO3. ממצא זה מציע תובנות לגבי הדינמיקה של רשתות קיפודים גם במגנטים אחרים. יתרה מכך, הממצא מאפשר לנו להפעיל ולכבות את מצבי העירור באמצעות שליטה בנוכחות או היעדרם של מיתרי Dirac עם שדה מגנטי חיצוני.
בהסבירו את המשמעות של תוצאותיהם, מעיר אטו, "מצבי עירור הספין הקולקטיביים שנחשפו במחקר הם עירורים אלמנטריים המשקפים ישירות את נוכחותם (או היעדרם) של מונופולים מגנטיים המתעוררים. לפיכך, הממצאים שלנו יהוו קו מנחה בסיסי לחקר האופי הדינמי המפורט יותר של מונופולים מתעוררים בחומרים מגנטיים בעתיד. יתרה מכך, הם עשויים להפוך לאבני הבניין של התקני ספינטרוניק חדשניים הניתנים להחלפת שדה, כגון מחוללי חשמל בגודל ננו, ממירי מתח אור ומסנני אור/מיקרוגל המבוססים על אלקטרומגנטיות שנוצרה".
לתגליות אלו יש פוטנציאל לפתוח אפיקי מחקר חדשים בפיזיקה בסיסית ולהוביל לפיתוח טכנולוגיות חדשות הכוללות מונופולים מגנטיים המתעוררים במגנטים.