Магнитные монополи

Сразу две группы ученых сообщили об обнаружении магнитных монополей в так называемом спиновом льду.

Магнитные монополи — частицы, обладающие «магнитным зарядом», — можно представить себе как отдельные полюса длинного и тонкого постоянного магнита; существование этих частиц было теоретически предсказано Дираком в 1931 году.

Зарегистрировать монополи в эксперименте пытались многие научные группы, однако представить достоверные данные не удалось ни одной из них. В 2007 году теоретики предложили (см. статью в журнале Nature) новое направление поиска: оказалось, что аналоги монополей должны существовать в спиновом льду — веществе, в котором магнитные моменты «ведут себя» подобно атомам водорода из обычного водного льда.

Авторы первой из рассматриваемых работ, представляющие научные центры Германии, Великобритании и Аргентины, использовали в своих экспериментах спиновый лед Dy2Ti2O7 (титанат диспрозия). В указанном веществе ионы диспрозия образуют тетраэдры, причем магнитные моменты двух ионов направлены к центру тетраэдра, а двух других — от центра (в этом и заключается их сходство с атомами водорода).

В ходе эксперимента ученые охлаждали кристалл титаната диспрозия до криогенных температур и направляли на него пучок нейтронов, анализируя результаты их рассеяния. Как выяснилось, магнитные моменты в материале — в полном соответствии с предсказаниями Дирака — образуют сеть так называемых струн Дирака, на концах которых находятся монополи. Под влиянием внешнего магнитного поля, в которое авторы поместили образец, струны меняли свое расположение и разрывались; в конечном итоге этот процесс должен был привести к появлению отдельных квазичастиц. Для того чтобы подтвердить факт существования монополей, исследователи измеряли теплоемкость материала. Теоретические расчеты показывали, что при температуре около 1 К по своей теплоемкости спиновый лед должен соответствовать газу магнитных монополей; именно такой результат и был получен в эксперименте.

Авторы второй работы, представляющие Францию и Великобританию, провели исследования спинового льда Ho2Ti2O7 (титаната гольмия) и зарегистрировали аналогичные закономерности.