Знакомьтесь: магнетричество

Похоже, учебники по физике вскоре придется переписывать…

Электричество, казалось бы, изученное вдоль и поперек, недавно обзавелось братом-близнецом — магнетричеством. Такой термин (magnetricity) ввели английские исследователи, которым удалось организовать направленное перемещение магнитных монополей. То есть, по сути, получить магнитный ток.

Два поля

Ученых давно тревожило нарушение симметрии в природе. Известно, что существуют две весьма похожие субстанции, два поля — электрическое и магнитное. Электрическое образуют заряды — отрицательные и положительные. Физики научились получать их экспериментально, заряжать нейтральные тела и отделять друг от друга электрические заряды противоположных знаков. Были изу­­чены электрические диполи (объекты, имеющие два полюса, образованные отрицательными и положительными зарядами, равными по величине и разделенными пространственно) и электрические монополи (частицы, имеющие либо только отрицательный заряд — электрон, либо только положительный — протон).

А вот магнитное поле такому разделению зарядов никак не поддавалось. Сколько бы мы ни разрезали пополам магнит, желая отделить южный полюс от северного, каждый его кусочек по-прежнему будет представлять собой магнитный диполь с этими полюсами. Это ученых обескураживало.

Давно обнаружена и изучена связь между электричеством и магнетизмом, открыты законы электромагнитной индукции, усилиями многих поколений исследователей построена теория электродинамики, полученные знания успешно использовались в практической деятельности человека. Однако отсутствие магнитного аналога электрического заряда – магнитного монополя вызывало у некоторых физиков чувство незавершенности общей теории строения мира.

Над проблемой неделимости магнита ломали головы многие. Еще Ампер выдвинул гипотезу: в отличие от электрических, в природе не существует потенциальных магнитных полей, которые имели бы начало и конец. Есть только вихревые магнитные поля, утверждал французский ученый и многие исследователи после него. Такое безоговорочное отрицание неделимости магнита теоретически не обосновывалось, но зато позволяло создать стройную и вполне работоспособную гипотезу. Картина легко моделировалась на макроуровне и была весьма убедительна. На основе утверждения Ампера построены многие теории, которые дали прекрасные результаты, например, теория ферромагнетизма.

Возмутитель «магнитного спокойствия» — Дирак

Основная масса исследователей была вполне удовлетворена гипотезой Андре Мари Ампера, пока к проблеме не подключился Поль Дирак. В 1931 году вышла его статья «Квантовые сингулярности в электромагнитном поле», в которой ученый предсказал существование магнитного монополя. Однако поиски частиц, в которых «жили» бы отдельно южный и северный полюса магнита, ни к чему не привели. Ни в земной коре, ни в метеоритах (или в космических лучах), ни с использованием всего арсенала ускорителей никак не удавалось их обнаружить. И вот, наконец, давняя мечта физиков почти осуществилась в 2009 году с открытием необычного квантового явления – спинового льда.

Надо сказать, что спин атома — это отнюдь не место, противоположное его, атома, «груди», которой, понятно, у него нет. Это внутренняя, исключительно квантовая характеристика, которую нельзя объяснить в рамках классической релятивистской механики. В некотором приближении атом можно представить себе волчком, крутящимся вокруг некой оси. А любое вращающееся тело обладает моментом импульса относительно своего центра масс; это собственный момент тела, или спин (от англ. spin — вертеть[-ся]). Спины атома или атомного ядра являются векторами, то есть имеют не только величину, но и направление в пространстве. А спиновым льдом назвали вещество, в котором магнитные моменты атомов организованы в особую пространственную структуру, напоминающую обычный лед. Сами атомы образуют прочную решетку и не смещаются, но их магнитный момент может переворачиваться.

Эксперименты со спиновым льдом проводила группа ученых, возглавляемая Стивеном Бромвеллом из Лондонского центра нанотехнологий. Оказалось, что при температурах, близких к абсолютному нулю (–273,15°С), спины атомов выстраиваются так, что часть из них «смотрит» внутрь ячейки кристаллической решетки, а часть – наружу. Опыт с титанатом диспрозия (Dy2Ti2O7) показал, что такие заряды ведут себя как квазичастицы, имеющие свойства предсказанного теоретически магнитного монополя. Об этом открытии группа Стивена Бромвелла в 2009 году сообщила в статье, опубликованной в журнале Nature Physics, а краткое описание эксперимента было приведено на портале Science News.

Вместо электроники — магнетроника?

Как показали более поздние опыты, с помощью внешнего воздействия (кратко­временного магнитного поля) можно заставить спины атомов менять направление – «переворачиваться» с южного полюса на северный и наоборот. Более того, рассматривая не один атом, а их совокупность, удалось заставить «переворачиваться» магнитные спины примерно так, как болельщики «гонят волну» на трибунах во время футбольного матча. Таким образом, образуются как бы два полюса магнита, не привязанные к конкретному физическому носителю. В опубликованной в феврале 2011 года в Nature Physics статье ученые описали опыт, в котором в течение нескольких минут поддерживался стабильный ток магнитных зарядов — магнетричество.

Этот магнитный ток выявил большое сходство между магнитными и электрическими зарядами. Создание и медленная диссипация (рассеивание) новых магнитных зарядов происходят по таким же принципам, что и электрически заряженные частицы в растворах (например, ионов в электролите батареек или конденсаторов). Магнитные монополи взаимодействуют друг с другом так же, как и электрические заряды, в соответствии с законом Кулона, а спиновый лед способен конденсировать магнитный заряд. Правда, в отличие от фиксированного заряда электронов магнитный изменяется с температурой и давлением.

Авторы новой работы попытались также определить свойства монополей в спиновом льду. Для этого они «обстреливали» их мюонами — неустойчивыми элементарными частицами, при распаде которых испускаются позитроны. Траектория их движения, как и любых заряженных частиц, зависит от характеристик магнитного поля. Оказалось, что монополи не только присутствовали, но и перемещались, создавая магнитный ток. Физики смогли также измерить магнитный заряд монополей. Полученное значение хорошо согласовывалось с теоретическими предсказаниями.

Результат должен послужить основой для разработки «магнетроники», включая компьютерную память в наномасштабе. Стивен Бромвелл полагает, что монополи можно будет использовать как намного более компактную форму компьютерной памяти, чем какая-либо из доступных сегодня, поскольку они имеют близкий к атому размер.

И такие устройства уже находятся в стадии разработки. В начале мая другая международная команда, включающая исследователей из французского центра CNRS, Института общей физики РАН и японского AIST, описала в своей статье действующий прототип устройства, работающего на эффекте магнитного тока. Предполагается, что оно может стать главным элементом памяти произвольного доступа (MRAM), сочетающей в себе быстродействие полупроводниковых устройств и энергонезависимость магнитной памяти. Использование новой идеи позволит понизить плотность тока в сотню раз, что сделает элементы памяти более надежными и существенно сократит тепловые потери.