Монополия спинового льда 1

Загадка магнитного монополя - единичного магнитного заряда - волновала умы физиков не единственный десяток лет. Современные нанотехнологии позволили воспроизвести "монопольный" эффект, но утверждать, что долгожданный заряд истинно найден, преждевременно

Рисунок: Константин Батынков

Одной из самых громких научных сенсаций этого года, привлекших к себе повышенное чуткость мировых СМИ, стала инфа о долгожданном экспериментальном обнаружении магнитных монополей.

Эти полулегендарные частицы - но­сители базового магнитно­го заряда ("придуманные" фи­зи­ка­ми-теоретиками по аналогии с электронами и протонами - носителями единичных электрических зарядов) были якобы найдены безотложно несколькими группами ученых при исследованиях особого класса ферромагнитных веществ, так называемых спиновых льдов (spin ice).

Первые статьи на эту тему появились летом этого года в известном электронном хранилище научных публикаций arXiv, а в начале сентября две наиболее интересные работы, проделанные группами Джонатана Морриса и Тома Феннелла, удостоились внимания столпа мирового научпопа - журнала Science.

Не успела чуть-чуть утихнуть первая волна противоречивых комментариев по поводу полученных этими исследовательскими командами эффектных результатов, как уже посредством месяц с небольшим в гонку публикаций включился один из первооткрывателей спинового льда Стивен Брэмвелл из Лондонского центра нанотехнологий. На страницах конкурирующего журнала Nature группа Брэмвелла представила общественности ни хоть отбавляй ни негусто первые данные экспериментальных измерений величины магнитного заряда и магнитного тока, искусственным образом созданного в результате изощренных манипуляций с кристаллической решеткой титаната диспрозия (Dy2Ti2O7), одной из важнейших разновидностей спинового льда. Брэмвелл и его коллеги целиком резонно предложили прозвать обнаруженное ими новое физическое явление - магнитный эквивалент электричества - магнетричеством (magnetricity).

Отдельно юг, особняком север

Так что же на самом деле удалось приметить группам Брэмвелла, Морриса, Феннелла и другим исследователям свойств таинственного спинового льда? Неужели они и взаправду в конце концов нашли магнитный монополь, безуспешными поисками которого занимались на протяжении многих десятилетий сотни, если не тысячи их коллег? И есть ли в обозримом будущем у человечества шансы на то, что магнетричество найдет широкое практическое использование в различных областях науки и техники?

Однозначных ответов на эти вопросы пока, пожалуй, не рискнет вручить никто из специалистов, но по крайней мере в главном на практике все они солидарны: как бы ни хотелось отдельным горячим головам выдать желаемое за действительное, пресловутый магнитный монополь в его исходном классическом понимании (в виде отдельной частицы) отловить все ещё никому не удалось. То есть реальных частиц с одним изолированным магнитным полюсом (северным или южным), гипотезу о возможном существовании которых в природе в первый раз выдвинул в 1931 году незаурядный английский физик Поль Дирак, Брэмвелл и Ко ни чуточки не детектировали.

Скажем, по мнению доцента кафедры общей и прикладной физики Нижегородского технического университета Бориса Булюбаша, "найдено всего только своеобразное состояние специфически организованного твердого тела. Такие состояния называют квазичастицами, и переносят они квазиимпульсы и квазизаряды. Магнитный квазизаряд у квазимонополя оказался отличным от нуля".

В свою очередность неизменный автор известного научно-популярного интернет-сайта "Элементы.ру" Игорь Иванов, комментируя в своем блоге опубликованные еще в сентябре результаты, отметил, что "речь тут, конечно, не идет об открытии магнитного монополя как отдельной элементарной частицы. Такие частицы как были, так и остаются гипотетическими объектами, существуют они в природе или нет - до сих пор не известно. То же, что было экспериментально обнаружено в результате безотлагательно нескольких работ, - это коллективные электронные возбуждения в особых магнитных средах, выглядящие мезоскопически, то есть на расстояниях непочатый край больше атомных, словно (выделено нами. - "Эксперт") магнитные монополи".

Наконец, в беседе с корреспондентом "Эксперта" доцент кафедры магнетизма физического факультета МГУ Николай Перов, особо подчеркнув, что "все эти эксперименты, безусловно, следует признать выдающимися, осуществленными на высочайшем технологическом уровне и обладающими большим фундаментальным значением", вкупе с тем уточнил: "Все-таки , несмотря на то что поведение исследованных специфических материалов полностью соответствует теоретическим предсказаниям сравнительно магнитных монополей, напрямую соединять обнаруженные процессы с "монополями Дирака" я бы не стал. Почему? Ну хотя бы исходя из того факта, что они проявляют себя подобным образом лишь при экстремально низких температурах и их "монополеобразные" свойства жестко ограничены кристаллической решеткой спинового льда".

На пути к великому объединению

Как известно, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом в 60-70−е годы XIX века знаменитые уравнения классической электродинамики связали воедино электрическое и магнитное поля. Эти уравнения характеризуются удивительной красотой и без малого полной симметрией относительно электричества и магнетизма. Однако хотя электрическая и магнитная силы в них узко взаимосвязаны, "магнитная составляющая" все же выглядит в теории немного ущемленной. В то период как электрические поля создаются либо электрическими зарядами, либо изменяющимися магнитными полями, последние создаются только электрическим током и изменяющимися электрическими полями.

В идеале (для достижения полной симметрии) уравнения Максвелла позволительно было бы негусто видоизменить, введя в дополнение к электрическому заряду и току еще и магнитный заряд и ток. И хотя, казалось бы, нет веских оснований для того, чтобы магнитные поля не создавались магнитными зарядами (а электрические поля - магнитными токами), в действительности магнитные заряды не наблюдаются, а одинаково нет в ней места и отдельно взятым магнитным полюсам (северному и южному): все обычные магниты представляют собой диполи, имеют вместе с тем и северный, и южный полюса.

Таким образом, по всей совокупности известных современной науке экспериментальных данных получается, что магнитные монополи, гипотетические частицы, обладающие ненулевым магнитным зарядом - точечным источником радиального магнитного поля, природе как будто бы ни к чему. А сам магнетизм - всего лишь вторичный продукт электричества.

Однако по крайней мере в физической теории, точнее в ее странной квантовой составляющей, для магнитных монополей зарезервирована сильно почетная роль. И инициация теоретической реабилитации магнитных монополей положил уже упоминавшийся Поль Дирак, обосновавший принципиальную вероятность существования на сто процентов симметричной квантовой электродинамики. Как отмечает в своей известной научно-популярной книге "Суперсила" британский физик Пол Дэвис, "Дирак постулировал, что в квантовой физике магнитные монополи определенно нужны, хотя в природе такая возможность и не используется. Связав наличие магнитных монополей с фазами квантовых волн, Дирак обнаружил и очень любопытную связь между электрическим и магнитным зарядами. Если магнитный монополь воистину существует, утверждал ученый, то магнитный заряд должен быть кратен некоторой заданной величине, которая, в свою очередь, определяется фундаментальной величиной электрического заряда. Следовательно, если монополь как гром среди ясного неба заявит о себе, мы по крайней мере будем знать, какой величины должен быть магнитный заряд". Тем не менее, хотя проведенный Дираком разбор и выявил местоположение магнитного монополя в физике, из самой его теории еще ни капельки не следовало, что магнитные монополи во что бы то ни стало должны реально быть в природе.

Надо сказать, что в начале 70−х годов ХХ века в теоретической физике делались попытки пояснить все и вся в рамках теории Великого Объединения (ТВО, или GUT - Grand Unified Theory), и, что удивительно, обязательным атрибутом большинства разработанных идеологами ТВО моделей оказалось реальное существование магнитных монополей. Точнее, в моделях ТВО постулируется существование целого класса гипотетических частиц, так называемых дионов, обладающих в то же время электрическим и магнитным зарядами, а магнитные монополи - своего рода элементарная основа этого класса (самые первые магнитные монополи могли появиться в горячей Вселенной вскоре после этого Большого взрыва).

Так, одну из наиболее известных модельных разновидностей - монополь Великого Объединения (МВО) - в 1974 году совместно предложили голландец Герард т"Хоофт и советских времен ученый Александр Поляков. Согласно расчетам ученых, если эти МВО впрямь есть в природе, они должны иметь целым рядом странных свойств, в частности чудовищно здоровущий по меркам микромира массой (верхний оценочный рубеж их массы в энергопересчете порядка 1017 ГэВ), а кроме того жутко сложной внутренней структурой луковичного типа, состоящей из множества силовых зон. Впрочем, модель МВО т"Хоофта-Полякова оказалась не уникальной - схожие оценки по предполагаемой массе магнитных монополей были сделаны и другими разработчиками GUT. По образному сравнению американского физика Джеймса Трефила, "Вселенная без магнитного монополя для современных теоретиков подобна прекрасной картине с зияющей дырой в холсте". И на протяжении последних двух-трех десятилетий в качестве непременной составляющей рабочей программы на каждом из сызнова создаваемых ускорителей частиц значатся поиски пресловутых "дираковских монополей".

Присутствуют они и в планах по эксплуатации Большого адронного коллайдера (LHC) в швейцарском ЦЕРНе. И, по словам Николая Перова, у физиков в эти дни есть определенная надежда, что в ходе опытов на этом новейшем ускорителе магнитные монополи все-таки будут обнаружены. Правда, полагает Перов, для того чтобы эта надежда оправдалась, ученым, скорее всего, необходимо будет изобрести новую нетривиальную методику поимки монополей, поскольку, исходя из текущих ограничений на энергетическую мощность, доступную LHC, достичь требуемых ТВО величин покуда не представляется возможным.

Ледорубы физической теории

Как это зачастую бывало в истории физики, упорные экспериментаторы придумали занимательный обходной маневр. В качестве палочки-выручалочки ими была использована необычная природная субстанция, тот что ни на есть спиновый лед.

Оказалось, что топологическая конфигурация некоторых специфических кристаллических структур, обладающих ферромагнитными свойствами, по ряду внешних признаков очень напоминает структурные особенности водяного льда. Уже относительно давнехонько физики установили, что рядовой водяной лед не совершенно упорядоченная кристаллическая структура. Точнее, он состоит из упорядоченной решетки атомов кислорода, зато атомы водорода расположены в нем до некоторой степени случайно: море конфигураций с разным пространственным расположением водорода имеют одинаковую энергию. И хотя на каждом "отрезке", соединяющем соседние атомы кислорода, находится по атому водорода, эти атомы водорода расположены не точь-в-точь посередине "отрезка" - постоянно есть два ближних атома водорода и два дальних. В результате такого произвольного пространственного разброса в расположении атомов водорода в кристаллах водяного льда возникает остаточная энтропия.

За последние десять с небольшим лет ученые смогли приметить в природе единый строй сложных веществ-ферромагнетиков (титанат гольмия, а ещё станнат гольмия и титанат диспрозия; гольмий и диспрозий - редкоземельные металлы-лантаноиды) , которые обладают аналогичной водяному льду остаточной энтропией. Более того, общая модель описания их свойств практически совпадает с моделью льда, только в ферромагнетиках играют образ не положение отдельных атомов, а ориентация спинов - магнитных моментов - ионов. Отсюда, собственно, и возникло обобщающее наименование для этого нового класса веществ - спиновые льды, где составляющие их кристаллическую решетку ионы формируют сетку тетраэдров, в вершинах которых спины ионов направлены либо к центру, либо от центра.

При этом дипольное магнитное взаимодействие пытается ориентировать соседние спины в противоположных направлениях, что, однако, нельзя одновременно для всех пар спинов в силу особой топологии решетки. Компромисс содержится в том, что в каждом тетраэдре два поясница направлены к центру, а другие два - от центра, минимизируя таким образом, сколь это возможно, полную энергию. Результирующее состояние оказывается разупорядоченным. Причем при температурах, близких к абсолютному нулю (нижнем энергетическом состоянии), в каждой ячейке таких кристаллов находятся две пары магнитных зарядов разного знака, так что ее совершенный магнитный заряд равен нулю.

Однако уже при небольшом повышении температуры спиновый лед приходит в неравновесное возбуждение, и если один из магнитных диполей случайным образом "переворачивается" (меняет свойский спин на противоположный), то это немедленно приводит к возникновению у двух соседних ячеек пресловутых магнитных зарядов с различными знаками. В случае дальнейшего постепенного повышения температуры в спиновом льде начинается цепная волна последовательных переворачиваний соседних магнитных диполей, и благодаря этой волне происходит пространственное перемещение некомпенсированного магнитного заряда по кристаллу.

Группе Джонатана Морриса из Центра материалов и энергии им. Гельм­гольца в Берлине первой удалось заполучить косвенные свидетельства возникновения в титанате диспрозия подобного явления. К спиновому льду, охлажденному почти до нуля градусов по Кельвину, было приложено внешнее магнитное поле, а после этого лед подвергся массированной бомбардировке нейтронами. В результате этого комбинированного воздействия Моррис и его коллеги смогли детектировать в изучаемом веществе появление струн Дирака - нитевидных магнитных линий, в соответствии теории самого Дирака, соединяющих образовывавшиеся соседние магнитные монополи (или шибко похожие на такие струны объекты). Правда, измерить магнитный заряд и величину этих "магнитных токов" экспериментаторам так и не удалось.

Схожий эксперимент, но только с использованием титаната гольмия, практически параллельно провела и группа ученых Института Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Франция) под руководством Тома Феннелла. Феннелл также сумел зафиксировать образование в спиновом льде при незначительном повышении температуры пресловутых нитеподобных структур.

В последнем по времени эксперименте, проведенном командой британских физиков под началом Стива Брэмвелла, в качестве бомбардировщиков кристаллов спинового льда (титаната диспрозия, как и в работе группы Морриса) были использованы уже не нейтроны, а мюоны. Возникновение в спиновом льде магнитных потоков (производных от расходящихся внутри кристаллической решетки северных и южных магнитных монополей) было выявлено группой Брэмвелла благодаря специфическому явлению - мюонному спиновому резонансу. При распаде короткоживущих мюонов внутри кристаллической решетки образовывались позитроны (антиэлектроны), которые, в свою очередь, покидали ее и на вылете попадали в детекторы. Причем направление вылета эмитированных позитронов напрямую зависело от магнитной поляризации их предшественников-мюонов.

В отсутствие магнитных монополей фиксируемый детекторами резонансный знак напоминал обычную затухающую синусоиду. Однако при предполагаемом создании в спиновом льде этих объектов устойчивость резонансного сигнала под воздействием случайных местных магнитных полей разом нарушалась, и сигнал затухал существенно быстрее. Соотнеся прыть затухания мюонного спинового резонанса с магнитной проводимостью спинового льда, Брэмвелл с коллегами в итоге определили величину элементарного магнитного заряда монополей, и она, как ни странно, оказалось достаточно близкой к оценочным теоретическим расчетам.

Иными словами, британские физики словно бы бы наконец смогли реально поймать движущийся в спиновом льде магнитный ток и более того количественно измерить его. Но, как и в любом другом принципиальном эксперименте, все точки над i не возбраняется будет расставить лишь потом серии других независимых проверок, которые либо подтвердят, либо опровергнут эти удивительные результаты.

Keywords: