Знайомтесь: магнетрика

Схоже, підручники з фізики незабаром доведеться переписувати…

В електриці, здавалося б, вивченій уздовж і поперек, недавно з’явився брат-близнюк — магнетрика. Такий термін (magnetricity) увели англійські дослідники, яким удалося організувати спрямоване переміщення магнітних монополів. Тобто, по суті, одержати магнітний струм.

Два поля

Учених давно непокоїло порушення симетрії в природі. Відомо, що існують дві досить схожі субстанції, два поля — електричне й магнітне. Електричне поле утворюють заряди — негативні й позитивні. Фізики навчилися одержувати їх експериментально, заряджати нейтральні тіла й відокремлювати один від одного електричні заряди протилежних знаків. Було вивчено електричні диполі (об’єкти, які мають два полюси, утворені негативними й позитивними зарядами, рівними за величиною й розділеними просторово) та електричні монополі — частинки, які мають або тільки негативний заряд — електрон, або тільки позитивний — протон.

А от магнітне поле такому поділу зарядів ніяк не піддавалося. Скільки б ми не розрізали навпіл магніт, прагнучи відокремити південний полюс від північного, кожен його шматочок, як і раніше, являтиме собою магнітний диполь із цими полюсами. Це вчених спантеличувало.

Давно виявлено й вивчено зв’язок між електрикою та магетизмом, відкрито закони електромагнітної індукції, зусиллями багатьох поколінь дослідників побудовано теорію електродинаміки, отримані знання успімашно використовувалися в практичній діяльності людини. Однак відсутність магнітного аналога електричного заряду — магнітного монополя викликала в деяких фізиків думку про незавершеність загальної теорії будови світу.

Багато хто намагався роз­в’язати проблему неподільності магніту. Ще Ампер висунув гіпотезу: на відміну від електричних, у природі не існує потенційних магнітних полів, які мали б початок і кінець. Є тільки вихрові магнітні поля, твердили французький учений і багато дослідників після нього. Таке беззастережне заперечення неподільності магніту теоретично не обґрунтовувалося, зате дозволяло створити струнку й цілком працездатну гіпотезу. Картина легко моделювалася на макрорівні й була досить переконливою. На основі твердження Ампера ґрунтується багато теорій, які дали чудові результати, наприклад, теорія феромагнетизму.

Порушник «магнітного спокою» — Дірак

Більшість дослідників були цілком задоволені гіпотезою Андре Марі Ампера, поки до проблеми не долучився Поль Дірак. 1931 року вийшла його стаття «Квантові сингулярності в елект­ро­­­магнітному полі», у якій учений прогнозував існування магнітного монополя. Однак пошуки частинок, у яких «жили» б окремо південний і північний полюси магніту, ні до чого не привели. Ні в земній корі, ні в метеоритах (або в космічних променях), ні з використанням усього арсеналу прискорювачів ніяк не вдавалося їх знайти. І от нареш­ті давня мрія фізиків майже здійснилася в 2009 році з відкриттям незвичайного квантового явища — спінової криги.

Треба сказати, що спін атома — це аж ніяк не місце, протилежне його, атома, «грудям», яких, зрозуміло, у нього немає. Це внутрішня, виключно квантова характеристика, яку не можна пояснити в рамках класичної релятивістської механіки. У певному наближенні атом можна уявити дзигою, що крутиться навколо якоїсь осі. А будь-яке обертове тіло має момент імпульсу відносно свого центру мас; це власний момент тіла, або спін (від англ. spin — крутити[-ся]). Спіни атома або атомного ядра є векторами, тобто мають не тільки величину, а й напрямок у просторі. А спіновою кригою назвали речовину, у якій магнітні моменти атомів організовані в особливу просторову структуру, що нагадує звичайну кригу. Самі атоми утворюють міцні грати й не зміщаються, але їхній магнітний момент може перевертатися.

Експерименти зі спіновою кригою проводила група вчених, очолювана Стівеном Бромвеллом із Лондонського центру нанотехнологій. Виявилося, що за температур, близьких до абсолютного нуля (мінус 273,15° за Цельсієм), спіни атомів вишикуються так, що частина з них «дивиться» усередину комірки кристалічних ґрат, а частина — назовні. Дослід із титанатом диспрозію (Dy2Ti2O7) показав, що такі заряди поводяться як квазічастинки, що мають властивості прогнозованого теоретично магнітного монополя. Про це відкриття група Стівена Бромвелла в 2009 році повідомила в статті, опублікованій у журналі Nature Physics, а короткий опис експерименту було наведено на порталі Science News.

Замість електроніки — магнетроніка?

Як показали більш пізні досліди, за допомогою зов­нішнього впливу (короткочасного магнітного поля) можна змусити спіни атомів змінювати напрямок — ­«перевертатися» з південного полюса на північний і навпаки. Більш того, розглянувши не один атом, а їхню сукупність, вдалося змусити «перевертатися» магнітні спіни приблизно так, як уболівальники роб­лять «хвилю» на трибунах під час футбольного матчу. Таким чином, утворюються ніби два полюси магніту, не прив’язані до конкретного фізичного носія. В опуб­лікованій у лютому 2011 року в Nature Physics статті вчені описали дослід, у якому протягом декількох хвилин підтримувався стабільний струм магнітних зарядів — магнетрика.

Цей магнітний струм виявив велику схожість між магнітними та електричними зарядами. Створення й повільна дисипація (розсіювання) нових магнітних зарядів відбувається за такими ж принципами, що й для електрично заряджених частинок у розчинах (наприклад, іонів у електроліті батарейок або конденсаторів). Магнітні монополі взаємодіють один з одним так само, як і електричні заряди, відповідно до закону Кулона, а спінова крига здатна конденсувати магнітний заряд. Правда, на відміну від фіксованого заряду електронів магнітний змінюється з температурою й тиском.

Автори нової роботи спробували також визначити властивості монополів у спіновій кризі. Для цього вони «обстрілювали» їх мюонами — нестійкими елементарними частинками, у процесі розпаду яких випускаються позитрони. Траєкторія їхнього руху, як і будь-яких заряджених частинок, залежить від характеристик магнітного поля. Виявилося, що монополі не тільки були наявні, а й переміщалися, створюючи магнітний струм. Фізики змогли також виміряти магнітний заряд монополів. Отримане значення добре узгоджувалося з теоретичними прогнозами.

Результат має послужити основою для розробки «магнетроніки», у тому числі комп’ютерної пам’яті у наномасштабі. Стівен Бромвелл вважає, що монополі­ можна буде використовувати як значно компакт­нішу форму комп’ютерної пам’яті, ніж якась із доступних сьогодні, оскільки вони мають близький до атома розмір.

І такі пристрої вже розроб­ляються. На початку травня інша міжнародна команда, до якої входять дослідники із французького центру CNRS, Інституту загальної фізики РАН і японського AIST, описала у своїй статті діючий прототип пристрою, що працює на ефекті магнітного струму. Передбачається, що він може стати голов­ним елементом пам’яті довільного доступу (MRAM), що сполучить у собі швидкодію напівпровідникових пристроїв та енергонезалежніть магнітної пам’яті. Використання нової ідеї дозволить зменшити щільність струму в сотню разів, що зробить елементи пам’яті більш надійними й істотно скоротить теплові втрати.