磁石には、通常N極とS極という二つの極が存在する。だが、研究によってN極またはS極のみを持つ物体「モノポール（磁気単極子）」の存在が明らかになっている。既に実験によってこれは生み出されているが、今回ケンブリッジ大学を中心とする研究チームが自然発生するモノポールを世界で初めて確認した事が報告された。
「モノポールは理論的に予測されていましたが、自然に存在する磁石の中で2次元の単極子が実際に観測されたのはこれが初めてです」と、オックスフォード大学の共同研究者であるPaolo Radaelli教授は声明で述べている。
「これらのモノポールは、単一の固定粒子ではなく、特異点の周りを渦巻く多数のスピンの集合状態であるため、多体相互作用によって出現します。その結果、発散する磁場を持つ、局在化した小さな安定粒子が生まれるのです」と、共同筆頭著者であるオックスフォード大学のHariom Jani博士は語った。
「私たちが毎日使っている磁石には、北極と南極の2つの極があります。19世紀には、単極が存在するという仮説がありました。しかし、James Clerk Maxwellは、電磁気学の基礎方程式のひとつで、これに反対したのです。もし単極子が存在し、それを分離することができたとしたら、それは失われたと思われていたパズルのピースを見つけるようなものです」と、研究を主導したケンブリッジ大学のMete Atatüre教授は述べている。
研究チームは、ダイヤモンド量子センシングという技術を用いて、鉄酸化物である赤鉄鉱の表面に現れる渦巻き状のテクスチャーと微弱な磁気信号を観測した。この研究により、赤鉄鉱において、多くのスピン（粒子の角運動量）の集合的な振る舞いを通じて磁気モノポールが現れることが明らかになった。
この研究は、赤鉄鉱のような材料の隠された渦巻きテクスチャーと磁気荷の間に直接的な関連があることを示した。。
ケンブリッジの研究者たちは、オックスフォード大学およびシンガポール国立大学の同僚と協力して、創発を利用して、磁気材料の表面の渦巻きテクスチャー上を滑るように動く2次元空間に広がる単極子を発見した。創発とは、多くの物理的実体が組み合わさることで、それらの部分の総和以上の、あるいは総和とは異なる性質を生み出すことができるというものである。
渦巻きトポロジカルテクスチャーは、強磁性体と反強磁性体の2つの主要なタイプの材料で見られる。このうち、反強磁性体は強磁性体よりも安定しているが、強い磁気的なシグネチャーがないため、研究が困難だ。
Atatüre教授らは、反強磁性体の振る舞いを研究するために、ダイヤモンド量子磁力計と呼ばれるイメージング技術を使用した。この技術は、ダイヤモンド針内の単一のスピン（電子の固有の角運動量）を使用して、材料の表面の磁場を正確に測定し、その振る舞いに影響を与えることなく行う。
現在の研究では、研究者たちはこの技術を使用して、反強磁性鉄酸化物である赤鉄鉱を調べた。彼らは驚くべきことに、赤鉄鉱内に隠された磁気荷のパターンを発見した。これには、単極子、双極子、四極子が含まれていたのだ。
この研究は、ダイヤモンド量子磁力計の可能性を強調するだけでなく、量子物質中の隠れた磁気現象を発見し、調査する能力を強調している。もし制御できれば、磁気を帯びた渦巻くテクスチャーが、超高速でエネルギー効率の高いコンピューター・メモリー・ロジックの動力源になるかもしれない。
論文
- Nature Materials: Revealing emergent magnetic charge in an antiferromagnet with diamond quantum magnetometry
参考文献
- University of Cambridge: Diamonds and rust help unveil ‘impossible’ quasi-particles
研究の要旨
渦巻きトポロジカルテクスチャーは、磁性体のエキゾチック相において重要な役割を果たしており、ロジックやメモリーへの応用が期待されている。反強磁性体において、これらのテクスチャーは強磁性体に比べて安定性が向上し、より高速なダイナミクスを示すが、正味の磁気モーメントが消失するため研究が困難である。バックアクションを無視した高感度なベクトル磁場センシングの要求を満たす手法の一つがダイヤモンド量子磁力測定である。ここでは、典型的な反強磁性体であるヘマタイトが、単極性、双極性、四極性の豊富な出現磁荷分布を持つことを示す。反強磁性スピンテクスチャのこれまでアクセスできなかった渦度を直接読み出すことで、二元性関係を通してその磁荷との決定的な結びつきが得られる。我々の研究は、2次元単極性物理を探求するための磁性系のパラダイムクラスを定義し、量子物質における創発現象を探求する上で、ダイヤモンド量子磁力計が果たす変革的な役割を明らかにするものである。
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