Магнитный монополь показался учёным в спиновом льду

Каждому школьнику известно, что у любого магнита есть два полюса: южный (S) и северный (N). Каждый физик знает, что как ты этот самый магнит ни дели, всё равно его части так же будут обладать обоими полюсами (то есть останутся диполями).

В 1931 году известный британский физик Поль Дирак (Paul Dirac) после проведения определённых теоретических расчётов предсказал, что должны существовать некие частицы – магнитные монополи (magnetic monopole) – которые присутствуют на концах так называемых струн Дирака. Однако до сих пор их никто не смог обнаружить.

Где только не пытались ловить гипотетически существующие магнитные монополи! Годы работы и множество научных трудов были посвящены попыткам обнаружить таинственные частицы в космическом излучении, внутри ускорителей высокоэнергетических частиц, в земном и даже лунном грунте.

Так могут ли всё-таки южный и северный полюса существовать отдельно друг от друга? (фото с сайта wordpress.com, иллюстрация Fermilab)

В 1980-х теоретики показали, что существование монополей можно считать основой "Теорий Великого объединения" (GUT). Эта группа моделей предполагает, что сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия являются различными проявлениями одной и той же силы.

В 2008 году учёные предположили, что магнитные монополи могут существовать в так называемом спиновом льду (о нём речь пойдёт чуть ниже). Чтобы наблюдать неуловимые частицы, необходимо проследить за изменениями в спинах атомов, которые "прокатываются" по такому кристаллу.

Впоследствии несколько научных групп провели исследования различных материалов, относящихся к этому классу соединений, и пришли к выводу, что магнитный монополь наконец-то найден.

Рисунок, иллюстрирующий эксперимент Морриса и его коллег, а также полученный ими результат (иллюстрация Jonathan Morris).

Одной из них руководил Джонатан Моррис (Jonathan Morris), исследователь Центра материалов и энергии Гельмгольца в Берлине (Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie — HZB). Он и его коллеги могут похвастаться тем, что нашли наиболее убедительное доказательство существования "магнитных частиц" (читайте пресс-релиз группы).

Для этого учёные охладили кристалл титаната диспрозия (Dy₂Ti₂O₇) до температуры, близкой к абсолютному нулю. Это соединение обладает особой решёткой, которую также именуют спиновым льдом (spin ice), она по некоторым параметрам напоминает обычный водяной лёд. Кроме титаната диспрозия ещё несколько других веществ могли бы продемонстрировать наличие магнитных монополей.

Тетраэдр, в котором три иона "указывают" внутрь (с голубым шаром внутри), представляет собой "северный монополь". Соседний тетраэдр лишь с одним ионом, указывающим внутрь, есть не что иное, как "южный монополь" (иллюстрация L.D.C. Jaubert, P.C.W. Holdsworth/Nature Physics).

При охлаждении таких кристаллов составляющие их атомы (в обычном состоянии расположенные в вершинах четырёхгранной пирамиды и представляющие собой маленькие магниты) "выравниваются". Иногда до трёх из четырёх спинов атомов пирамиды принимают одно и то же направление, в результате в центре пирамиды образуется область положительного или отрицательного магнитного заряда. Этот заряд не "закрепляется" на каком-либо физическом объекте, но при этом он ведёт себя так, как должен бы предсказанный магнитный монополь.

При охлаждении до ультранизких температур (0,6 -2 K) с помощью рассеяния нейтронов (взаимодействуют со струнами Дирака) и приложения магнитного поля физики смогли "увидеть" в Dy₂Ti₂O₇ некие "иглы", похожие на северные и южные монополи. Однако частицы находились на расстоянии не больше нанометра друг от друга, и из-за этого их нельзя было измерить напрямую. Моррису со товарищи ничего не оставалось, кроме как поверить, что они наблюдали те самые монополи Дирака.

	Нагревание кристалла, проведённое Клемке (слева) и Моррисом, позволило подтвердить наличие "газа" из монополей внутри Dy2Ti2O7 (фото A.Rouvičre/HZB).

Дальнейшее измерение теплоёмкости, проведённое Бастианом Клемке (Bastian Klemke), тоже косвенно подтвердило существование монополей в кристалле экзотического вещества. Кроме того, благодаря этому опыту физики установили, что монополи взаимодействуют таким же образом, как и электрические заряды.

Вторая работа была проведена под руководством Тома Феннелла (Tom Fennell) из Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Institut Laue-Langevin). По основным этапам она мало чем отличается от первой, разве что эти учёные использовали кристалл титаната гольмия, Ho₂Ti₂O₇. (Пресс-релиз французско-британской группы здесь.)

"Двойное" открытие привело к появлению сразу нескольких статей. Две из них уже опубликованы в журнале Science (1 и 2). Ещё две пока находятся на сервере препринтов arXiv.org (3 и 4).

Картина, полученная с помощью рассеяния с переворотом спина (spin-flip scattering). Вверху – реально наблюдаемая в кристалле титаната гольмия, внизу – предсказанная для него же при помощи моделирования по методу Монте-Карло (иллюстрация Institut Laue-Langevin).

Первая из неопубликованных работ рассказывает о дополнительных наблюдениях магнитных монополей, а вторая – предлагает новую технологию определения заряда каждого монополя. По мнению профессора Стива Брамвелла (Steve Bramwell), значащегося в списке авторов двух из четырёх публикаций, этих данных более чем достаточно, для того чтобы убедиться в существовании монополей Дирака.

Но далеко не все учёные готовы утешиться малым. "Монополи, конечно, крайне тяжело зарегистрировать по отдельности. И всё же я не думаю, что это совсем уж невозможно", — считает профессор физики Питер Шиффер (Peter Schiffer) из университета Пенсильвании.

"Честное" свидетельство существования магнитных монополей действительно необходимо научному сообществу. Но и этот шаг можно считать значительным продвижением вперёд. Возможно, именно нынешние публикации сподвигнут другие научные группы на новое "прямое" открытие. Кроме того, полученным данным наверняка найдётся применение в технике. Например, некоторые учёные уже сейчас говорят о разработке нового типа памяти.