Учёные воссоздали поведение неуловимого магнитного монополя с помощью алмазов и ржавчины

Физики впервые смоделировали поведение магнитного монополя — гипотетической частицы, предсказанной Полем Дираком ещё в 1931 году. Эксперимент, проведённый на обычной ржавчине с помощью алмазной иглы, не только приближает науку к разгадке одной из фундаментальных тайн мироздания, но и может перевернуть представления о создании сверхбыстрых и энергоэффективных компьютеров. Исследователи из Кембриджского университета зафиксировали монопольное поведение магнитных полей в кристалле гематита, что стало первым шагом к практическому поиску «недостающего звена» в единой теории поля.

Алмазная игла против «невозможной» частицы

Международная группа учёных под руководством физиков из Кембриджа опубликовала в журнале Nature Materials результаты работы, которая меняет подход к поиску магнитных монополей. Вместо того чтобы пытаться поймать саму частицу в ускорителях или космических лучах, исследователи пошли другим путём. Они создали условия, при которых магнитное поле в антиферромагнетике — гематите (оксиде железа, известном как ржавчина) — начинает вести себя так, как если бы через него прошёл настоящий монополь.

Ключевым инструментом стала алмазная квантовая магнитометрия. Тончайшая алмазная игла, способная детектировать ориентацию спинов электронов, позволила точечно воздействовать на нейтральную магнитную решётку гематита, не нарушая её структуры. В обычном состоянии этот минерал не проявляет внешнего магнитного поля, но его внутренняя доменная структура идеально подходит для моделирования эффектов, предсказанных теорией Дирака.

Как ржавчина имитирует монополь

Суть эксперимента заключалась в создании локального возмущения, которое имитировало бы магнитный заряд гипотетической частицы. Учёные наблюдали, как спиновые паттерны в антиферромагнетике перестраиваются под воздействием точечного магнитного поля. Как пояснил физик Энтони Тан, «проблемой всегда было прямое отображение этих структур из-за их слабого магнитного притяжения, но сочетание алмазов и ржавчины дало ключ к разгадке».

Полученные данные не являются прямым доказательством существования монополя, но они впервые позволили визуализировать те закономерности, которые должна порождать такая частица. Это открывает дорогу к созданию детекторов нового поколения, способных улавливать не саму частицу, а её «тень» в магнитных материалах.

Подтверждение существования монополя стало бы прорывом для «теории всего» — единой физико-математической модели, описывающей все фундаментальные взаимодействия. Без этой частицы многие уравнения квантовой физики и теории струн остаются неполными. «Если бы монополи существовали, это было бы похоже на поиск недостающего фрагмента головоломки, который считался утерянным», — отметил профессор Мете Ататюр.

Помимо фундаментальной науки, работа имеет прикладное значение. Антиферромагнитные материалы, лишённые паразитных магнитных полей, считаются идеальной основой для спиновой электроники (спинтроники). Разработанная методика позволяет управлять их состояниями с беспрецедентной точностью. В перспективе это может привести к созданию компьютеров, которые будут не только быстрее современных кремниевых аналогов, но и потреблять значительно меньше энергии, что снизит нагрузку на экологию.