연구자들은 녹과 밀접한 관련이 있는 물질에서 고립된 자기 전하인 자기 단극을 발견했습니다. 이 발견은 보다 친환경적이고 빠른 컴퓨팅 기술을 구동하는 데 사용될 수 있습니다.

케임브리지 대학이 이끄는 연구원들은 산화철의 일종인 적철석 표면의 소용돌이치는 질감과 희미한 자기 신호를 관찰하기 위해 양자 다이아몬드 감지라는 기술을 사용했습니다.

연구진은 많은 스핀(입자의 각운동량)의 집단적 행동을 통해 적철광의 자기 단극이 나타나는 것을 관찰했습니다. 이러한 단극은 자기 전하를 지닌 작은 하키 퍽처럼 적철광 표면의 소용돌이치는 질감을 통해 미끄러집니다. 자연적으로 발생하는 단극이 실험적으로 관찰된 것은 이번이 처음입니다.

이 연구는 또한 이전에 숨겨진 소용돌이 텍스처와 적철석과 같은 물질의 자기 전하 사이에 마치 서로 연결하는 비밀 코드가 있는 것처럼 직접적인 연결을 보여주었습니다. 차세대 논리 및 메모리 애플리케이션을 구현하는 데 유용할 수 있는 결과는 Nature Materials 저널에 게재되었습니다.

캠브리지 물리학의 거장 중 한 명인 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)의 방정식에 따르면, 냉장고 자석이든 지구 자체이든 자기 물체는 항상 분리될 수 없는 한 쌍의 자극으로 존재해야 합니다.

연구를 이끈 메테 아타토리(Mete Atatori) 교수는 “우리가 매일 사용하는 자석에는 북극과 남극 두 개의 극이 있습니다. “19일에^와이 20세기에는 단극자가 존재할 수 있다고 가정되었습니다. 그러나 전자기학 연구의 기본 방정식 중 하나에서 James Clerk Maxwell은 이러한 견해에 동의하지 않았습니다.

Attatori는 이전에 Maxwell이 직접 맡았던 캠브리지 캐번디시 연구소의 책임자입니다. “단극이 존재하고 그것을 분리할 수 있다면 그것은 아마도 없어진 것으로 추정되는 퍼즐 조각을 찾는 것과 같을 것입니다”라고 그는 말했습니다.

약 15년 ​​전, 과학자들은 자성 물질에 단극이 어떻게 존재하는지 제안했습니다. 이 이론적 결과는 북극과 남극 사이의 극단적인 분리에 의존했으며, 각 극은 스핀 아이스(spin ice)라는 이국적인 물질에 국지적으로 고립되어 있는 것처럼 보입니다.

그러나 출현의 개념을 포함하는 독점을 찾기 위한 대안적인 전략이 있습니다. 출현의 개념은 여러 물리적 개체의 결합이 해당 부분의 합보다 크거나 다른 속성으로 이어질 수 있다는 것입니다.

옥스포드 대학과 싱가포르 국립 대학의 동료들과 협력하여 케임브리지 연구원들은 발산을 사용하여 자성 물질 표면의 소용돌이 조직을 통해 미끄러지면서 2D 공간에서 퍼져 나가는 단극을 감지했습니다.

소용돌이 토폴로지 텍스처는 강자성체와 반자성체라는 두 가지 주요 유형의 재료에서 발견됩니다. 둘 중 반자성은 강자성체보다 안정적이지만 강한 자기 신호를 갖지 않기 때문에 연구하기가 더 어렵습니다.

반자성체의 거동을 연구하기 위해 Attatori와 그의 동료들은 다이아몬드 양자 자기측정법(Diamond Quantum Magnetometry)으로 알려진 이미징 기술을 사용했습니다. 이 기술은 다이아몬드 바늘의 단일 스핀(전자의 고유한 각운동량)을 사용하여 물질의 거동에 영향을 주지 않고 물질 표면의 자기장을 정밀하게 측정합니다.

이번 연구에서 연구진은 이 기술을 사용해 항자성 산화철 소재인 적철광(hematite)을 관찰했다. 놀랍게도 그들은 단극, 쌍극자 및 사중극을 포함하여 적철광 내에서 숨겨진 자기 전하 패턴을 발견했습니다.

공동저자인 옥스퍼드대 파올로 라델리 교수는 “이론적으로 단극의 존재는 예견됐지만, 자연자석에서 2차원 단극을 실제로 본 것은 이번이 처음”이라고 말했다.

“이러한 단극은 단일 안정 입자가 아닌 특이점을 공전하는 많은 스핀의 집단 상태이므로 다체 상호 작용을 통해 나타납니다. 그 결과 발산 자기장이 나타나는 작고 국부적인 안정 입자가 탄생합니다.” 공동 제1저자인 옥스포드 대학의 Harium Jani 박사는 말했습니다.

공동 제1저자인 하버드 대학의 앤서니 탄(Anthony Tan) 박사는 “우리는 다이아몬드 양자 자기측정법을 사용하여 2D 양자 물질에서 신비한 자성의 거동을 밝혀 이 분야에 새로운 연구 영역을 열 수 있는 방법을 보여주었습니다.”라고 말했습니다. 캐번디시 연구소. “자기 끌어당김이 약하기 때문에 항자성체에서 이러한 조직을 직접 이미지화하는 것이 항상 어려운 일이었지만 이제는 다이아몬드와 녹의 절묘한 조합을 통해 이를 수행할 수 있습니다.”

이 연구는 다이아몬드 양자 자기측정법의 잠재력을 강조할 뿐만 아니라 양자 물질에 ​​숨겨진 자기 현상을 탐지하고 조사할 수 있는 잠재력도 강조합니다. 제어된다면 자기 전하로 뒤덮인 이 소용돌이치는 조직은 컴퓨터 메모리 로직을 매우 빠르고 에너지 효율적으로 실행할 수 있습니다.

이 연구는 부분적으로 왕립학회, 헨리 로이스 경 연구소, 유럽 연합, 영국 연구 혁신(UKRI)의 일부인 공학 및 물리 과학 연구 위원회(EPSRC)의 지원을 받았습니다.