После почти века поисков физикам впервые удалось наблюдать — и даже сфотографировать — магнитные монополи. Правда, с приставкой «квази».

Фрагмент (12х12 мкм) метаматериала; темные линии — струны Дирака, на концах которых и видны монополи
На схеме монополи представлены крупными сферами на концах струн Дирака. Обычные диполи показаны в виде «гантелек» с точечными зарядами на концах; струны Дирака — цепочки диполей, магнитные заряды которых не скомпенсированы

Магнитным монополем называют элементарную частицу-носительницу ненулевого магнитного заряда, примерно как электрон — носитель единичного отрицательного, а протон — положительного электрического заряда. Но ни одна известная нам частица не несет единичного магнитного заряда.

Упрощенно говоря, это магнит с одним только полюсом, насчет же того, существуют ли такие странные частицы на самом деле, давно ведется сложная дискуссия.

Обычным путем получить магнитный монополь невозможно, какой бы магнит мы ни взяли и сколько бы раз его ни «разрезали»: каждый раз мы получим новые магниты с двумя полюсами. Однако созданная в 1930-х Полем Дираком квантовая теория взаимодействия электрического заряда с магнитным предсказывает, что единичный магнитный заряд существовать должен. Дирак также предсказывал, что монополи должны быть обнаружены на концах гипотетических одномерных «струн». А выросшие к настоящему времени на этой основе космологические теории говорят, что в молодой Вселенной монополи должны были образовываться в огромном количестве. Просто к нашему времени они рассеялись по пространству так далеко, что во всей видимой Вселенной их может быть буквально считанные единицы.

Более того, если физикам удастся достоверно получить или обнаружить магнитные монополи, им придется пересмотреть формулировки некоторых законов магнетизма, включая теорему Гаусса, исходящую из того, что магнитное поле создается диполем, и его силовые линии замыкаются на его полюсах.

Словом, ситуация знакомая: ожидается теорией — но практикой не доказано, и грозит заметными потрясениями. Тем более что магнитные монополи могут стать источником энергии куда более мощным, чем даже по‑прежнему не укрощенный термоядерный синтез — подробнее о монополях, их природе и возможностях можно прочесть в нашей статье «Джинн из луковицы». Неудивительно, что вокруг их поиска кипят нешуточные страсти, и статья, опубликованная на днях учеными из Ирландии и Швейцарии, привлекла огромное внимание.

Большая группа, возглавляемая Хансом-Бенджамином Брауном (Hans-Benjamin Braun) и Лаурой Хейдерман (Laura Heyderman), сообщает, магнитные монополи впервые удалось наблюдать экспериментально.

Сперва был получен искусственный метаматериал, состоящий из массива наноразмерных (500х150 нм) магнитов, упорядоченных в двухмерную гексагональную решетку. В каждом узле этой решетки сходятся свободные магнитные спины, которые могут быть различно ориентированы. Схожую конфигурацию принимают молекул воды в кристалле льда, отчего подобные материалы называют «спиновым льдом». Эти-то узлы и могут при определенных условиях и на определенном масштабе вести себя в точности подобно магнитным монополям. Это не настоящие монополи-частицы, а их аналоги, квазичастицы.

Магнитные спины, сходящиеся в узлах решетки, ориентируются определенным образом, и при некоторых условиях можно создать в них нескомпенсированный магнитный заряд — тем самым создав и монополь. По мере усиления приложенного внешнего магнитного поля монополи будут расходиться по решетке, прыгая с узла на узел и двигаясь дальше, при этом меняя полярность пройденного узла. Таким образом, за монополем остается цепочка узлов обращенной полярности, аналог тех самых струн Дирака. И весь процесс — впервые — удалось не просто провести при комнатной температуре, но и в прямом смысле слова сфотографировать.

И хотя это не сами долгожданные частицы-монополи, работа открывает новые возможности для изучения их свойств. А чем лучше мы будем их знать, тем лучше поймем, где и как их искать. Да и на практике подобное знание пригодится. Те же жесткие диски современных компьютеров тоже используют упорядоченные массивы крохотных магнитов, и не за горами тот день, когда размеры этих магнитов достигнут тех же величин, что и в эксперименте. Было бы очень неплохо изучить, как они при этом поведут себя и какие выгоды мы сможем из этого поведения извлечь.

По пресс-релизу University College Dublin