Magnetyczne monopole wkrótce będą rzeczywistością?

Jak wiadomo, magnes ma dwa bieguny, północny i południowy. Przecięcie magnesu na pół powoduje powstanie dwóch mniejszych dwubiegunowych magnesów. Jednobiegunowe magnesy to pomysł rodem z powieści Sci-Fi i gdyby potrafiono je wytwarzać – mogłyby urzeczywistnić np. techniki lewitacji magnetycznej i bezoporowego ruchu. Jednak na samym początku wykładów z elektryczności i magnetyzmu podkreśla się, że jednobiegunowy magnes – monopol – istnieje co najwyżej tylko w teoriach. Dzięki pracy chińskiego fizyka Shou-Cheng Zhanga nasza wiedza w tej dziedzinie może ulec zmianie.

W 29. numerze pisma Science Express, Zhang i jego współpracownik Xiao-Liang Qi przewidzieli istnienie materiału, który będzie działał niczym magiczne lustro – w którym magnetyczny monopol pojawi się jako obraz zwykłego elektronu. Jeśli przewidywania te potwierdzą się eksperymentalnie, trzeba będzie poprawiać podręczniki elektromagnetyzmu.

Zhang specjalizuje się w teorii ciała stałego i pracuje w stanfordzkim Instytucie Nauki o Materii i Energii (SIMES). Najbardziej interesują go ciała stałe wykazujące osobliwe własności elektromagnetyczne i kwantowe – uczony bada możliwości wykorzystania ich jako nośników informacji. Jednak na sprawę potrafi patrzeć z szerszej perspektywy. Dlatego dostrzegł, że materiał nad którym pracuje, może być tym, o czym spekulują pisarze Sci-Fi – izolowanym północnym lub południowym biegunem magnetycznym.

Z punktu widzenia elektromagnetyzmu biegun magnetyczny jest bliskim krewnym ładunku elektrycznego – jednak w przeciwieństwie do elektronu czy protonu, zawsze występuje w parze, zwanej dipolem. Normalnie monopol w świecie się nie zdarza. Nawet jeśli przetniemy magnes na pół, to uzyskamy w efekcie dwa dipole, a nie oddzielne monopole. Jednak teoretycy wierzący w symetrię uważają, że powinien istnieć magnetyczny odpowiednik ładunku elektrycznego. Na tym bazują teorie unifikacji oddziaływań i teoria strun – a gdyby było inaczej, to równania Maxwella rządzące zachowaniem elektryczności i magnetyzmu, nie wyglądałyby tak jak wyglądają. Poza tym jak wykazał Paul Dirac, istnienie choćby jednego magnetycznego monopolu we wszechświecie wyjaśnia inną tajemnicę mechaniki kwantowej – dlaczego to ładunek elektryczny jest skwantowany, czyli jest całkowitą wielokrotnością ładunku elementarnego, za który uznaje się ładunek elektronu.

To czemu zatem nie obserwujemy nigdzie jednobiegunowych ładunków magnetycznych? Zhang uważa, że szukamy ich w niewłaściwych miejscach. Niektórzy fizycy liczą, że coś tak dziwnego mogłoby im dosłownie spaść z nieba – że trafią na magnetyczny monopol w deszczu egzotycznych cząsteczek powstających w kosmicznych katastrofach, w którym kąpie się nasza planeta. Czekają jednak już na to ponad trzydzieści lat, oczywiście bezskutecznie.

Inni z kolei fizycy uważają, że magnetyczny monopol można by stworzyć w ogromnym akceleratorze – bo jest on aż tak ciężką cząstką. Ukończony w 2008 roku Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) wciąż byłby nie dość duży, by taką cząstkę wytworzyć.

Zhang pyta: „A gdyby tak spojrzeć na drugą stronę lustra?” Oczywiście nie jest to zwykłe lustro, lecz zbudowane ze specjalnego stopu. Chiński fizyk wyjaśnia, że aby zrozumieć, jak materiał może stać się magnetycznym monopolem, należy przypatrzeć się zachowaniu metalu, do którego powierzchni zbliża się ładunek elektryczny – na przykład elektron.

Jako że ładunki tego samego rodzaju odpychają się, elektrony na powierzchni metalu przesuwają się w głąb, odsłaniając uprzednio neutralną powierzchnię dodatnio naładowaną. Powstałe w wyniku tego procesu pole elektryczne wygląda dokładnie tak samo jak pole cząstki o dodatnim ładunku, która znajduje się w tej samej odległości od powierzchni. Z punktu widzenia obserwatora taki obraz to dodatnie lustrzane odbicie elektronu – nie ma żadnej możliwości, by je od siebie odróżnić.

Tutaj pojawia się „magiczne lustro” Zhanga. Rozpatrywany przez niego stop należy do rodziny dziwnych substancji, które otrzymały nazwe topologicznych dielektryków – w nich to prawa elektrodynamiki ulegają głębokim zmianom. Jeśli elektron zbliży się do powierzchni topologicznego dielektryku, to zamiast zwykłego, dodatniego ładunku elektrycznego, jako jego obraz pojawi się coś, co wygląda na magnetyczny monopol.

Myśląc o topologii, myślimy normalnie o obiektach, które nie mogą być po prostu w ciągły sposób przekształcone w siebie – np. gumowej pętli i pętli Möbiusa. Metaliczna powierzchnia topologicznego dielektryka tym się różni od zwykłej powierzchni, że jej metaliczna natura jest chroniona przez pewne niezmienniki symetrii – nie można jej przekształcić w normalny dielektryk. Rysunki poniżej przedstawiają energię i pęd dla zwykłego dielektryka i topologicznego dielektryka. W zwykłym nawet niewielka zmiana fizyczna czy chemiczna może zmienic stan elektronowy powierzchni (i przerwać przepływ prądu), natomiast w topologicznym dielektryku, stany przewodzące są chronione i nic nie może ich naruszyć. (obrazek autorstwa Allana Stonebrakera/stonebrakerdesignworks.com).

Wspomniany dielektryk charakteryzuje się bowiem własnością, przez fizyków zwaną silnym parowaniem orbit spinowych – czyli interakcjami, jakie zachodzą pomiędzy ruchem cząstki a jej spinem. Zbliżający się do topologicznego izolatora elektron wzbudza na jego powierzchni przepływ prądu, który nie wygasa. To z kolei prowadzi zaś do powstania pola magnetycznego, które formalnie nie różni się niczym od pola podobnego do magnetycznego monopolu. Z tego właśnie powodu, dla zewnętrznego obserwatora materiał Zhanga będzie całkowicie nieodróżnialny od monopolowych cząsteczek magnetycznych, które fizycy próbują wychwycić w promieniowaniu kosmicznym.

Praca nad takimi zjawiskami nie ogranicza się tylko do wychwycenia magnetycznych monopoli. Może to być sposób na fizyczne zrealizowanie całej gamy cząsteczek, które istniały jedynie jako matematyczne dziwactwa w teoriach fizyki wysokich energii. Zhang pokazał na przykład, że elektron i zobrazowany w opisany powyżej sposób monopol będą działać razem jak tzw. anyon (od angielskiego słowa „anything”. Anyony to dwuwymiarowe cząsteczki, których własności obejmują zarazem własności typowe dla dwóch rodzin cząstek – tych o spinie całkowitym, czyli bozonów i tych o spinie połówkowym, czyli fermionów.

Swój artykuł Zhang podsumował następująco: „Egzotyczne cząstki – takie jak magnetyczny monopol, dyon, anyon i aksion – odgrywają fundamentalną rolę w rozumieniu fizyki kwantowej. Obserwacje tych egzotycznych cząstek w systemach skondensowanej materii może ujawnić jej głębokie tajemnice, a topologiczne dielektryki mogą stać się nową drogą badań dla fizyki wysokiej energii (…). Nie trzeba bowiem patrzeć w kosmos – wkrótce zobaczymy więcej pięknych matematycznych struktur zrealizowanych w fazie skondensowanej”.

Brak powiązanych artykułów.