結晶で検出されたスピンスパゲッティ

磁性固体で発見された磁気単極子

ディラック弦からスパゲッティをスピンします。 ©DJPモリス&A.テナント/ HZB
読み上げ

国際的な科学者チームが初めて磁気単極子を検出し、固体物質の生成を観察しました。 研究者は、科学雑誌「Science Express」で新しい研究の結果をオンラインで提示します。

磁気独占として、物理学者は、1つの磁極のみを運ぶ仮想粒子、つまり、磁気北極のみまたは磁気南極のみのいずれかを指します。 物質の世界では、これは非常に珍しいことです。通常、磁性粒子は双極子としてのみ表示されるため、つまり、北極と南極で構成されます。 それにもかかわらず、磁場の源として独占の存在を予測するいくつかの理論があります。

ホースは磁場を運ぶ

とりわけ、1931年の物理学者ポール・ディラックは、計算から、いわゆるディラック弦の終わりに磁気単極子が存在しなければならないと推測しました。 これらは、磁場を運ぶホースと考えることができます。 磁気独占はこれまで証明されていません。

ジョナサンモリス、アランテナント、ヘルムホルツセンターベルリンマテリアルズアンドエネルギー(HZB)の同僚とドレスデン、セントアンドリュース(英国)、ラプラタ(アルゼンチン)、オックスフォード(英国)の同僚がベルリンで中性子散乱実験を実施研究炉を通過します。 標本はチタン酸ジスプロシウムの結晶でした。 この物質は非常に特殊な形状、いわゆるパイロクロア格子で結晶化します。

ベルリンの実験広場E2でのバスティアンクレムケとジョナサンモリス

ねじれたチューブのネットワーク

モリスとテナントは、中性子散乱を使用して、材料内部の磁気モーメントがスピンスパゲッティとして配列されていることを示すことができました。 名前は、曲がりくねったチューブのネットワークを形成する双極子の向きに由来します。 これらのチューブは磁束を輸送します。 これは、サンプルに衝突した中性子が独自の磁気モーメントを運び、ストリングと相互作用するため、視覚化できます。 ディスプレイ

中性子測定中に、研究者は磁場も作成しました。 このフィールドでは、弦の対称性と向きに影響を与える可能性があります。 これにより、ストリングネットワークの密度を減らし、独占の数を減らすことができました。 その結果、0.6〜2ケルビンの温度で、両端に磁気単極子をもつ弦が見えるようになりました。

これらの磁気単極子の特徴は、チタン酸ジスプロシウムの熱容量の測定によっても観察されました。 Bastian Klemke(HZB)によって行われた測定は、磁気単極子の存在を確認し、電荷と同様の方法で相互作用できることを示しています。

HZB(フラットコーン単結晶回折計)の研究炉。 A.ルービレ/ HZB

そして、彼らは存在します

新しい研究では、ディラックによって予測された単極子が実際に固体に存在することが初めて証明されました。 それらは、双極子の特別な配置によって作成され、磁性材料の通常の特性とはまったく異なります。

しかし、この基本的な洞察に加えて、モリスは、結果の幅広い重要性をとりわけ強調しています:物質の新しい基本的な性質について説明します。 それらは一般に、同じトポロジーの材料、すなわちパイロクロア格子に磁気モーメントを持つ物質に有効です。 これは、新しい技術の開発にとって非常に重要です。「何よりもまず、「磁気分別が最初に3次元で観察されたこと」を強調する必要があります。

(idw-材料とエネルギーのヘルムホルツセンターベルリン、07.09.2009-DLO)