Έχουν δει οι φυσικοί τα μαγνητικά μονόπoλα;

Από την ιστοσελίδα του PhysicsWeb, 2 Οκτωβρίου 2003

Ο Paul Dirac ήταν αυτός που προώθησε πρώτος την ιδέα του μαγνητικού μονόπολου - ενός σωματιδίου που μεταφέρει ένα απομονωμένο βόρειο ή νότιο πόλο - το 1931, αλλά όλες οι πειραματικές έρευνες γι αυτά τα φευγαλέα σωματίδια έχουν αποβεί άκαρπες. Μια ομάδα όμως φυσικών από την Ιαπωνία, την Κίνα και την Ελβετία, δηλώνουν τώρα ότι έχουν βρει έμμεσες ενδείξεις για τα μονόπολα. Η ομάδα παρατήρησε ένα ανώμαλο φαινόμενο Hall σ' ένα σιδηρομαγνητικό κρύσταλλο, που πιστεύουν ότι μπορεί να εξηγηθεί μόνο με την ύπαρξη μαγνητικών μονόπολων. Fang και άλλοι. 2003 Science 302 92).

Η έλλειψη συμμετρίας μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων είναι από τα πιο παλιά αινίγματα της φυσικής. Γιατί να είναι δυνατόν να απομονώσουμε θετικό και αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο αλλά όχι βόρειους και νότιους μαγνητικούς πόλους; Ο Dirac συνέδεσε την ύπαρξη του μαγνητικού μονόπολου με την κβάντωση του ηλεκτρικού φορτίου - ένα άλλο αίνιγμα που δεν είναι ακόμα πλήρως κατανοητό - αλλά τα μονόπολα δεν μπόρεσαν ποτέ να ανιχνευτούν σ' ένα πείραμα. 

Τα μαγνητικά μονόπολα προβλέπονται επίσης σε κάποιες θεωρίες που επιζητούν να ενοποιήσουν την ηλεκτρασθενή με την ισχυρή αλληλεπίδραση. Παρόλα αυτά οι μάζες των μονόπολων που προβλέπονται από αυτές τις λεγόμενες Μεγάλες Ενοποιημένες Θεωρίες (GUT) είναι πάρα πολύ μεγάλες - περίπου 10¹⁶ GeV - για να ανιχνευτούν σε πειράματα. 

Αντί για το ψάξιμο των μαγνητικών μονόπολων στον πραγματικό χώρο, ο Yoshinori Tokura και οι συνεργάτες του του Εθνικού Ινστιτούτου για την προχωρημένη Βιομηχανική Έρευνα και Τεχνολογία (AIST) στην Tsukuba της ΙαπωνίαςI στράφηκαν στον χώρο των ορμών - τον αφηρημένο μαθηματικό χώρο στον οποίο οι φυσικοί της στερεάς κατάστασης απεικονίζουν τις επιφάνειες Fermi, τις ζώνες Brilloin και άλλα αφηρημένα κατασκευάσματα που χρησιμοποιούν για τη μελέτη της συμπυκνωμένης κατάστασης. Η ομάδα παρακινήθηκε από πρόσφατη θεωρητική δουλειά η οποία υποδείκνυε ότι η συμπεριφορά των μαγνητικών μονόπολων στον χώρο των ορμών σχετίζεται στενά με το ανώμαλο φαινόμενο Hall.  

Από την ανακάλυψή του πριν 23 περίπου χρόνια, το κβαντικό φαινόμενο Ηall διερευνάται από ένα ευρύ φάσμα φυσικών, που εκτείνεται από επιστήμονες των υλικών μέχρι τοπολόγους. Στο κλασσικό φαινόμενο Ηall το οποίο ανακαλύφθηκε τον 19ο αιώνα, μια λεπτή λωρίδα αγώγιμου υλικού τοποθετείται μέσα σε μαγνητικό πεδίο και διαβιβάζεται ένα ρεύμα μέσα από αυτό. Τα ηλεκτρόνια δέχονται μια δύναμη Lorentz που είναι κάθετη τόσο στο μαγνητικό πεδίο, όσο και στην αρχική τους ταχύτητα. Αν τα ηλεκτρόνια κινούνται αρχικά στην κατεύθυνση χ μέσα στη λωρίδα που βρίσκεται στο επίπεδο χ-y και το μαγνητικό πεδίο είναι στην κατεύθυνση z, τότε η δύναμη Lorentz και η τάση Hall που δημιουργείται, θα είναι στην κατεύθυνση y.

Το κβαντικό φαινόμενο Hall παραβιάζει την κλασσική θεωρία κατά δραματικό τρόπο. Όταν το φαινόμενο Hall μετρηθεί σε χαμηλές θερμοκρασίες σ' ένα δείγμα που είναι τόσο λεπτό ώστε τα ηλεκτρόνια περιορίζονται να κινούνται μόνο στο επίπεδο χ-y, η αντίσταση Hall βρίσκεται να αποκλίνει από την κλασσική συμπεριφορά. Σε αρκετά ισχυρά πεδία, μια σειρά από "επίπεδα σκαλιά" εμφανίζεται στο γράφημα της αντίστασης Hall σε συνάρτηση με το μαγνητικό πεδίο.    

Η μετρούμενη εγκάρσια αντίσταση ρ_xy για τον απλό κρύσταλλο, το λεπτό στρώμα και για ένα λεπτό στρώμα με εμφυτεύσεις ασβεστίου. Η εικόνα είναι από την εργασία των: Z Fang και άλλων. 2003 Science 302 92).

Ο Tokura και οι συνεργάτες του τοποθέτησαν ένα υψηλής ποιότητας κρύσταλλο από στρόντιο, ρουθήνιο και οξυγόνο, μέσα σ' ένα μαγνητικό πεδίο που βρισκόταν στην κατεύθυνση του άξονα z, και μετά μέτρησαν την αντίσταση στην κατεύθυνση y, καθώς ένα ρεύμα έρεε στην κατεύθυνση χ. Βρήκαν ότι η αντίσταση δεν μεταβαλλόταν γραμμικά με την θερμοκρασία, όπως αναμενόταν, αλλά η μεταβολή της δεν ήταν μονότονη και εμφανιζόταν ακόμη και αλλαγή του πρόσημου. (Βλέπε εικόνα 1.)   

Οι ερευνητές μέτρησαν επίσης την εγκάρσια οπτική αγωγιμότητα ενός λεπτού στρώματος του κρυστάλλου, χρησιμοποιώντας μια τεχνική που είναι γνωστή ως μικροσκοπία Kerr υψηλής ανάλυσης, και βρήκαν μια μέγιστη αιχμή σε χαμηλές ενέργειες. Σύμφωνα με τον Tokura και τους συνεργάτες του, το μέγιστο αυτό μπορεί να ερμηνευτεί με την παρουσία μονόπολων στις ενεργειακές ζώνες του κρυστάλλου. 

Η Ιαπωνική-Κινεζική-Ελβετική ομάδα πιστεύει ότι και τα δύο αυτά ανώμαλα φαινόμενα είναι σημάδια της ύπαρξης μαγνητικών μονόπολων. Η ομάδα σχεδιάζει τώρα να μελετήσει υλικά που εμφανίζουν ακόμα μεγαλύτερα ανώμαλα φαινόμενα. "Οι νόμοι του ηλεκτρομαγνητισμού είναι το σημείο αναφοράς για κάθε τομέα της φυσικής" λέει το μέλος της ομάδας Kei Takahashi, του πανεπιστημίου της Γενεύης. "Από τη σκοπιά αυτή έχουμε αποδείξει ότι μπορούμε να διερευνήσουμε τα πιο πολλά ζητήματα της φυσικής - περιλαμβανομένων αυτών της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας - εκτελώντας πειράματα με στερεούς κρυστάλλους."  

Το φαινόμενο Hall

Το φαινόμενο Hall που για πρώτη φορά παρατηρήθηκε το 1879, συναντάται όταν η επιφάνεια ενός λεπτού φύλλου χρυσού ή άλλου μετάλλου τοποθετηθεί κάθετα σε μαγνητικό πεδίο, και αφήσουμε να διαρρέεται από ρεύμα από τη μια μεριά ως την άλλη, τότε ανάμεσα στις  δύο άλλες πλευρές του θα αναπτυχθεί ηλεκτρική τάση. Τα φορτισμένα σωματίδια δέχονται μια δύναμη από το μαγνητικό πεδίο. Η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στις δύο πλευρές εξαρτάται από την ένταση του μαγνητικού πεδίου