Долгие десятилетия физики ищут гипотетические частицы, магнитные монополи, обнаружение и изучение свойств которых может стать ключом к созданию долгожданной «Теории Всего». И недавно сразу две группы ученых рапортовали о находке — правда, в виде квазичастиц.
Квази-монополи: Вперед, к «Теории Всего»
Тетраэдр, у которого три иона оказываются направлены внутрь, становится северным «монополем», а соседний, один из ионов которого, нарушив баланс, ориентируется наружу, - южным «монополем»

Магнитный монополь — гипотетическая частица, предсказанная Полем Дираком еще в 1930-х. Считается, что она должна являться элементарным носителем магнитного поля, определяя его напряженность, как заряд других элементарных частиц определяет напряженность поля электрического. Главное свойство монополя — наличие только одного магнитного полюса, тогда как все обычные магнитны (и даже обладающие магнитным полем частицы) представляют собой диполи. Подробно о грандиозном поиске этой поразительной частицы мы писали в статье «Джинн из луковицы».

На днях о весьма многообещающей находке в этой области сообщили сразу две команды ученых — группа Тома Феннелля (Tom Fennell) из Франции и группа Джонатана Морриса (Jonathan Morris) из Германии. Нет, это не сами монополи, но их прямые аналоги, обладающие главным свойством этих частиц — одним полюсом магнитного поля.

Обе команды исследователей использовали в работе экзотическую форму кристалла, «спиновый лед», форму, в которой несущие магнитное поле ионы организованы так же, как ионы водорода в кристалле льда: они расположены на вершинах тетраэдра (см. иллюстрацию слева). При температурах, близких к абсолютному нулю, эта структура организуется так, что два иона ориентируются, направляя свои северные полюса наружу относительно тетраэдра, а два остальных — внутрь, в сторону центра фигуры.

Где же тут монополи, спросите вы? А дело в том, что если один из ионов меняет свою ориентацию — скажем, получив дополнительную энергию извне — четыре иона перестают уравновешивать друг друга, и у магнитного поля в тетраэдре появляется направление. Причем магнитное поле это не привязано к определенному иону, а распределено по всей структуре: один из тетраэдров становится южным, а другой — северным полюсом образовавшегося магнита.

Если процесс начинает распространяться далее, на соседние структуры полюса магнита смещаются, причем совершенно независимо друг от друга — это-то и позволяет рассматривать их, как два отдельных, не связанных друг с другом монополя.

Причем, это вовсе не является жонглированием понятиями. Так, группа Феннелля, облучив спиновый лед титаната гольмия пучком поляризованных нейтронов и измерив изменение угла его поляризации для разных углов падения, увидели, что в структуре льда действительно появляются, а при нагревании — и распространяются подобные квази-монополи. Причем ведут они себя в точности так, как, по теоретическим расчетам, должны вести себя монополи самые настоящие.

Группа Морриса использовала тот же материал, но подошла к выводу о монополях с другой стороны. Приложив к спиновому льду титаната гольмия внешнее магнитное поле, исследователи максимально «вытянули» образующиеся магниты, разнеся южный и северный полюса и удлинив цепочку расположенных между ними разбалансированных тетраэдров. Само наличие этих нитей также было продемонстрировано с помощью рассеяния нейтронов. Затем ученые начали подогревать образец, показав, что энергии для этого требуется как раз столько, как если бы образец был заполнен «газом» частиц-монополей, взаимодействующих друг с другом.

Впрочем, трудно отделаться от мысли о том, что пока что такие монополи — лишь квазичастицы, представляющие собой вариации в положении ионов в кристаллической структуре «спинового льда». Они, конечно, не приведут к созданию «Теории Всего», которая положит единый закон под все виды фундаментальных взаимодействий.

Однако результаты интересны хотя бы тем, что показывают: в твердых телах, в принципе, можно создавать самые разные квазичастицы для их изучения и использования. К примеру, Феннелль полагает, что такие квази-монополи могут стать основой для электронных приборов совершенно нового типа, магнитных.

Кстати, появление магнитных монополей некоторые слишком рьяные защитники окружающей среды называли в числе самых опасных возможных результатов работы Большого Адронного Коллайдера — и даже инициировали по этому поводу судебное разбирательство. Об этом лучше всего узнать из заметки «Суд над частицами».

По публикации ScienceNOW