Поль Дирак в 1931 году выдвинул гипотезу, согласно которой в природе должны существовать некие экзотические частицы, являющиеся переносчиками изолированных "магнитных зарядов" - магнитные монополи. Но до сих пор все попытки обнаружить в эксперименте эти неуловимые частицы были безуспешными. Однако теперь группа физиков из Японии, Китая и Швейцарии утверждает, что им все-таки удалось найти косвенное свидетельство существования таких монополей Дирака. Они провели наблюдения так называемого аномального эффекта Холла (появление в проводнике с током плотностью j, помещенном в магнитное поле H, электрического поля E_x, перпендикулярного H и j) в кристалле-ферромагнетике (в ферромагнетиках на электроны проводимости действует не только внешнее, но и внутреннее магнитное поле, что и приводит к появлению необыкновенного (аномального) коэффициента Холла) и теперь уверены, что объяснить полученные результаты можно только с помощью магнитных монополей.

Принципиальное "неравноправие" между электрическими и магнитными полями, поведение которых описывается с помощью очень похожих уравнений - это одна из самых старых загадок в физике. Почему можно получить изолированные положительные и отрицательные электрические заряды, а "северные" и "южные" магнитные полюса никак нельзя разделить? Дирак связал существование таких магнитных монополей с квантованием электрического заряда - другой загадкой, которая все еще не дает покоя ученым.

Существование магнитных монополей также следует из некоторых теорий объединения электрослабых и сильных взаимодействий. Однако масса предсказанного монополя оказалась очень большой по масштабам мира элементарных частиц - приблизительно 10¹⁶гигаэлектронвольт или 10^-8 грамм, - чтобы монополи могли быть обнаруженными в экспериментах на современных ускорителях. Слишком редкими они должны быть и в "естественных" условиях.

Теперь вместо того, чтобы искать магнитные монополи в реальном пространстве, Иошинори Токура (Yoshinori Tokura) из японского Национального института передовых технологий и прикладной науки (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology - AIST) и его сотрудники обратились к пространству импульса - математическому псевдопространству фермиевских квазичастиц (электронов проводимости и "дырок"), в котором "располагаются" ферми-поверхности (изоэнергетические поверхности в пространстве квазиимпульсов, отделяющие области занятых электронных состояний от областей, в которых электронов нет), зоны Бриллюэна (зоны "разрешенных" значений энергии электронов в твердом теле, области, включающие в себя все трансляционно-неэквавалентные значения квазиимпульсов, характеризующих состояние квазичастиц) и так далее. Выяснилось, что поведение магнитных монополей в пространстве импульса тесно связано с аномальным эффектом Холла.

Токура и его сотрудники поместили высококачественный кристалл, изготовленный из стронция, рутения и кислорода, в магнитное поле, ориентированное вдоль некой оси z, а затем измеряли поперечное удельное сопротивление - удельное сопротивление вдоль оси y, - при этом ток тек в направлении x. Они нашли, что удельное сопротивление изменялось с увеличением температуры не линейно, как следовало ожидать, а скачками.

Исследователи также измерили поперечную оптическую проводимость тонкой намагниченной ферромагнитной пленки, воспользовавшись так называемой керр-микроскопией (в основе лежит магнитооптический эффект Керра - эллиптическая поляризация света, отраженного от поверхности образца) с высоким разрешением, и нашли острый пик в области низких энергий. По их словам, этот пик можно объяснить только присутствием монополей в структуре зоны кристалла.

Японские, китайские и швейцарские участники эксперимента полагают, что оба эти аномальных эффекта представляют собой те самые "отпечатки пальцев" реальных магнитных монополей. Теперь планируется изучить материалы, которые показали бы еще большие аномальные эффекты. "Законы электромагнетизма - отправная точка для каждой области физики, - говорит Кей Такахаши (Kei Takahashi) из Женевского университета, принимавший участие в этих исследованиях. - И с этой точки зрения мы доказали, что можем изучить большинство разделов физики - включая физику элементарных частиц и космологию - в экспериментах на твердых кристаллах".

Источник:

Have physicists seen magnetic monopoles? - PhysicsWeb

06.10.2003 14:20

Максим Борисов

Справка :

Магнитный монополь -

гипотетическая частица, обладающая положительным или отрицательным "магнитным зарядом" - точечным источником радиального магнитного поля. Магнитный монополь можно представлять как отдельно взятый полюс длинного и тонкого постоянного магнита. Магнитный заряд определяет напряженность магнитного поля совершенно так же, как электрический заряд определяет напряженность электрического поля.

(Физическая энциклопедия, М., 1990)

06.10.2003

http://physicsworld.com/cws/article/news/18338

Have physicists seen magnetic monopoles?

Oct 2, 2003

Paul Dirac first put forward the idea of the magnetic monopole - a particle that carries an isolated north or south magnetic pole - in 1931, but all experimental searches for these elusive particles have proved fruitless. However, a group of physicists from Japan, China and Switzerland are now claiming that they have found indirect evidence for monopoles. The team observed an anomalous Hall effect in a ferromagnetic crystal that they say can only be explained by the existence of magnetic monopoles (Z Fang et al. 2003 Science 302 92).

The lack of symmetry between electric and magnetic fields is one of the oldest puzzles in physics. Why is it possible to isolate positive and negative electric charges, but not north and south magnetic poles? Dirac linked the existence of magnetic monopoles with the quantization of electric charge - another puzzle that is still not fully understood - but they have never been detected in an experiment.

Magnetic monopoles are also predicted by some theories that seek to unify the electroweak and strong interactions. However, the monopole masses that are predicted by these so-called grand unified theories are much too large - about 10¹⁶ giga-electronvolts – to be detected in experiments.

Instead of searching for magnetic monopoles in real space, Yoshinori Tokura of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Tsukuba and co-workers turned to momentum space - the mathematical space in which condensed matter physicists construct Fermi surfaces, Brillouin zones and so on. The team was motivated by recent theoretical work which suggested that the behaviour of magnetic monopoles in momentum space is closely related to the anomalous Hall effect.

Tokura and co-workers placed a high-quality crystal made of strontium, ruthenium and oxygen in a magnetic field that pointed in the z direction, and then measured the transverse resistivity – the resistivity in the y direction - as a current flowed in the x direction. They found that the resistivity did not change linearly with temperature, as expected, but varied non-monotonously and even changed sign (figure 1).

The researchers also measured the transverse optical conductivity of a thin film of the crystal using a technique known as high-resolution Kerr microscopy and found a sharp peak at low energies. According to Tokura and co-workers, this peak can only be explained by the presence of monopoles in the band structure of the crystal.

The Japan-China-Switzerland team believe that both of these anomalous effects are “fingerprints” for the existence of magnetic monopoles. The team now plans to study materials that show even larger anomalous effects. “The laws of electromagnetism are the starting point for every area of physics,” says team member Kei Takahashi of the University of Geneva. “From this view point, we have proved that we can investigate most physics subjects - including particle physics and cosmology – in experiments on solid crystals.”

About the author

Belle Dumé is Science Writer at PhysicsWeb