Псевдомонополь в псевдольду: новые исследования магнитного поля

О льде, который вовсе не лед, о частицах, которые вовсе не частицы, о магнитных монополях и трехмерных наномагнитах рассказывает Indicator.Ru.

Французские физики впервые сумели получить магнитные монополи в простейшей кристаллической решетке, в которой, согласно теории, могут возникать эти удивительные квазичастицы, — в так называемом квадратном спиновом льду. Добавив этой двумерной системе дополнительное измерение, они теоретически и экспериментально доказали, что их новая лаборатория-на-чипе не только способна порождать магнитные монополи, но также представляет собой удобный способ изучать свойства этих частиц, равно как и свойства самого спинового льда. Статья об их работе была опубликована в последнем номере журнала Nature.

Где полюс, там и лед

Как уже неоднократно уточнялось в различных статьях о спиновом льде, речь, разумеется, не идет о той гипотетической частице, которая имеет один-единственный магнитный полюс, северный или южный, и которую вот уже почти сто лет безуспешно ищут физики разных стран мира, а всего лишь о квазичастице, результате коллективного взаимодействия многих спинов, которая ведет себя так же, как мог бы вести себя и реальный магнитный монополь.

Понятие спинового льда появилось в 90-х годах прошлого века, когда было обнаружено, что некоторые соединения титана имеют атомарную структуру, схожую со структурой водяного льда, и одновременно представляют собой множество взаимодействующих наномагнитов. Такая «наномагнитная армия» была интересна уже сама по себе, открывая путь новой и неизведанной тогда физике льдов с весьма привлекательными перспективами для использования, например в качестве нового вида магнитной памяти. А кроме того, теоретически получалось, что при некоторых условиях в таких системах могут возникать квазичастицы, имеющие свойства магнитного монополя.

Разумеется, спиновый лед привлек многие лаборатории, и вскоре исследователи переключили свое внимание со сложных для теоретического анализа объемных титанатов к искусственным спиновым льдам из решеток попроще, наносимых на поверхность подложки литографическим способом. В последнее десятилетие ученые научились обращаться с такими льдами и уже не раз заявляли о наблюдении, как они осторожно выражаются, «классических аналогов» магнитного монополя.

Правда, получить такие монополи в простейшей квадратной плоской решетке, теория которой к настоящему времени хорошо изучена, никому до сих пор не удавалось. Ученые не могли создать в таких структурах необходимое условие для их появления и так называемую «нарушенную структуру» ("frustrated" structure). Геометрия этой структуры такова, что все магнитные взаимодействия между спинами ее атомов не могут быть выполнены одновременно. Один из прежних исследователей спиновых льдов образно сравнил создание этой структуры с попыткой чередования мест для мужчин и женщин за круглым столом с нечетным количеством стульев. «Сколько бы вы ни пересаживали их, вам это не удастся», — сказал он. Применительно к массиву наномагнитов в спиновом льду выполнение такого условия неизбежно должно проявиться в возникновении монополя и антимонополя, причем в разных местах и независимо от расстояния между ними.

Выход из плоскости

Группе специалистов из Гренобльского Альпийского университета удалось теоретически обосновать довольно неожиданный выход из положения, вернув искусственному квадратному льду третье измерение, а точнее, создав не одну, а две таких плоских квадратных решетки, параллельных друг другу и расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. По их расчетам, подбором этого расстояния можно менять характер межспинового взаимодействия как в самих этих решетках, так и между ними, причем при определенной «настройке» этого расстояния должна возникнуть искомая «нарушенная структура».

Для проверки своей теории ученые создали три таких двухплоскостных системы. Каждая из них состояла из наномагнитов размерами 500х100х30 нанометров, а расстояние между плоскостями составляло в этих трех системах 60, 80 и 100 нанометров соответственно. Эксперименты, проведенные учеными с этими тремя структурами и зафиксированные с помощью магнитно-силового и сканирующего атомно-силового микроскопов, показали, что в системе из плоскостей, разнесенных на 100 нанометров, возникла «нарушенная структура» и началось рождение монополей и антимонополей.

Авторы статьи считают, что создали платформу, с помощью которой и они, и многие другие исследовательские группы смогут с легкостью изучать как свойства «классических аналогов» магнитного монополя, так и физику спиновых льдов, в которой до сих сохраняется множество белых пятен.