加载中…科技日报---磁性革命：钻石与铁锈重写物理教科书
(2024-01-05 12:32:28)
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题记：决定物质特性的不仅仅是尺度的大小，其维度的改变也能改变材料的特性，而且是革命性、飞跃性的改变。物理世界充满着神奇，而其中的变化更能创造神奇。根据物理学巨人詹姆斯•克拉克•麦克斯韦的方程，磁性物体，无论是冰箱磁贴还是地球本身，都必须始终作为一对无法隔离的磁极存在。而今天的科学现实完全颠覆了权威的理论。科学家们在赤铁矿中发现了隐藏的磁电荷模式，包括单极、偶极和四极。
剑桥大学的研究人员利用金刚石量子传感在赤铁矿中发现了磁单极子，赤铁矿是一种类似于铁锈的材料。这一对表现得像孤立磁电荷的新兴单极子的突破性观察，可以通过实现更快、更环保的应用，彻底改变计算技术。图片来源：SciTechDaily.com
剑桥大学的研究人员在赤铁矿中发现了磁单极子，这为先进、环保的计算技术提供了新的可能性。这一首次在天然磁体中观察到的出射单极子可能会为量子材料研究开辟新的途径。
研究人员在一种与铁锈密切相关的材料中发现了磁单极子——孤立的磁电荷，这一结果可用于推动更环保、更快的计算技术。
剑桥大学领导的研究人员使用一种名为金刚石量子传感的技术来观察赤铁矿（一种氧化铁）表面的漩涡纹理和微弱的磁信号。
浮现的单极子与涡旋纹理
研究人员观察到，赤铁矿中的磁单极子是通过许多自旋（粒子的角动量）的集体行为出现的。这些单极子在赤铁矿表面的漩涡纹理上滑翔，就像带有磁性电荷的微小冰球。这是第一次通过实验观察到自然出现的出射单极子。
这项研究还表明，之前隐藏的漩涡纹理与赤铁矿等材料的磁荷之间存在直接联系，就好像有一个密码将它们联系在一起一样。今天（12月5日），《自然材料》杂志报道了这一结果，该结果可能有助于实现下一代逻辑和内存应用。
磁单极的历史透视
根据剑桥物理学巨人詹姆斯•克拉克•麦克斯韦的方程，磁性物体，无论是冰箱磁贴还是地球本身，都必须始终作为一对无法隔离的磁极存在。
领导这项研究的Mete
Atatüre教授说：“我们每天使用的磁铁有两极：南和北。”“在19世纪，人们假设单极子可能存在。但在他研究电磁学的一个基本方程中，詹姆斯•克拉克•麦克斯韦不同意。”
阿塔蒂尔是剑桥卡文迪许实验室的负责人，这个职位曾由麦克斯韦本人担任。他说：“如果单极子确实存在，并且我们能够隔离它们，这就像找到了一块被认为丢失的拼图。”
应急战略与协同研究
大约15年前，科学家们提出了单极子是如何存在于磁性材料中的。这一理论结果依赖于南北两极的极端分离，因此在局部情况下，每个两极都被一种称为旋冰的外来物质孤立。
然而，还有一种寻找单极子的替代策略，涉及涌现的概念。涌现的概念是，许多物理实体的组合可以产生大于或不同于其各部分总和的性质。
剑桥大学的研究人员与牛津大学和新加坡国立大学的同事合作，利用涌现发现了分布在二维空间中的单极子，这些单极子在磁性材料表面的漩涡纹理中滑动。
旋涡拓扑结构存在于两种主要类型的材料中：铁磁体和反铁磁体。在这两者中，反铁磁体比铁磁体更稳定，但它们更难研究，因为它们没有强磁特征。
反铁磁体与金刚石量子测磁
为了研究反铁磁体的行为，Atatüre和他的同事使用了一种称为金刚石量子测磁的成像技术。这项技术使用金刚石针中的单个自旋（电子的固有角动量）来精确测量材料表面的磁场，而不会影响其行为。
在目前的研究中，研究人员使用该技术观察了赤铁矿，一种反铁磁性氧化铁材料。令他们惊讶的是，他们在赤铁矿中发现了隐藏的磁电荷模式，包括单极、偶极和四极。
牛津大学的合著者Paolo
Radaelli教授说：“理论上已经预测到单极，但这是我们第一次在自然存在的磁体中真正看到二维单极。”
牛津大学的第一作者Hariom
Jani博士说：“这些单极子是许多自旋的集体状态，这些自旋围绕着一个奇点而不是单个固定粒子旋转，因此它们通过多个物体的相互作用而出现。结果是产生了一个微小的、局部稳定的粒子，并产生了发散的磁场。”。
卡文迪许实验室的第一作者之一Anthony
Tan博士说：“我们已经展示了如何使用金刚石量子测磁来解开二维量子材料中磁性的神秘行为，这可能会在这一领域开辟新的研究领域。”“挑战一直是在反铁磁体中直接成像这些纹理，因为它们的磁引力较弱，但现在我们能够做到这一点，将钻石和铁锈完美结合。”
这项研究不仅突出了金刚石量子测磁的潜力，还强调了其揭示和研究量子材料中隐藏的磁现象的能力。如果得到控制，这些包裹着磁电荷的漩涡纹理可以为超快、节能的计算机内存逻辑提供动力。
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