Berlian dan karat menulis ulang buku pelajaran fisika

Para peneliti dari Cambridge telah mengidentifikasi monopole magnetik dalam hematit, menunjukkan kemungkinan-kemungkinan baru untuk teknik komputasi canggih dan ramah lingkungan. Pengamatan pertama kali terhadap kemunculan kutub magnet alami ini dapat membuka cakrawala baru dalam penelitian material kuantum.

Para peneliti telah menemukan monopole magnet – muatan magnet terisolasi – pada material yang berkaitan erat dengan karat, sebuah temuan yang dapat digunakan untuk menggerakkan teknologi komputasi yang lebih ramah lingkungan dan lebih cepat.

Para peneliti yang dipimpin oleh Universitas Cambridge menggunakan teknik yang dikenal sebagai penginderaan berlian kuantum untuk mengamati tekstur berputar-putar dan sinyal magnetik samar pada permukaan hematit, sejenis oksida besi.

Munculnya monopoli dan tekstur pusaran air

Para peneliti mengamati bahwa monopole magnet pada hematit muncul melalui perilaku kolektif banyak putaran (momentum sudut partikel). Monopole ini meluncur melalui tekstur berputar-putar di permukaan hematit, seperti keping hoki kecil dengan muatan magnet. Ini adalah pertama kalinya monopole yang terjadi secara alami diamati secara eksperimental.

Penelitian ini juga menunjukkan hubungan langsung antara tekstur pusaran yang sebelumnya tersembunyi dan muatan magnetis bahan seperti hematit, seolah-olah ada kode rahasia yang menghubungkan keduanya. Hasilnya, yang mungkin berguna dalam mengaktifkan aplikasi logika dan memori generasi berikutnya, diterbitkan hari ini (5 Desember) di jurnal Bahan alam.

Perspektif sejarah tentang monopoli magnetik

Menurut persamaan James Clerk Maxwell, salah satu raksasa fisika Cambridge, benda-benda magnetis, baik magnet kulkas atau Bumi itu sendiri, harus selalu ada sebagai sepasang kutub magnet yang tidak dapat diisolasi.

“Magnet yang kita gunakan sehari-hari memiliki dua kutub: utara dan selatan,” kata Profesor Mete Atatori, yang memimpin penelitian tersebut. “Pada tanggal 19^kamu Pada abad ke-20, ada anggapan bahwa unipole bisa saja ada. Namun dalam salah satu persamaan dasarnya untuk studi elektromagnetisme, James Clerk Maxwell tidak setuju dengan pandangan ini.

Attatori adalah kepala Laboratorium Cavendish di Cambridge, posisi yang sebelumnya dipegang oleh Maxwell sendiri. “Jika monopole memang ada dan kita dapat mengisolasinya, itu seperti menemukan potongan teka-teki yang hilang,” katanya.

Strategi kemunculan dan penelitian kolaboratif

Sekitar 15 tahun yang lalu, para ilmuwan mengusulkan bagaimana monopole ada pada material magnetik. Hasil teoretis ini bergantung pada pemisahan ekstrem antara Kutub Utara dan Selatan, sehingga setiap kutub tampak terisolasi secara lokal dalam zat eksotik yang disebut spin ice.

Namun, terdapat strategi alternatif untuk menemukan monopoli, yang melibatkan konsep kemunculan. Gagasan kemunculannya adalah bahwa kombinasi beberapa entitas fisik dapat menghasilkan sifat-sifat yang lebih besar atau berbeda dari jumlah bagian-bagiannya.

Bekerja dengan rekan kerja dari Universitas Oxford Dan para peneliti di National University of Singapore, Cambridge menggunakan emanasi untuk mendeteksi monopole yang menyebar dalam ruang 2D, meluncur melalui jaringan pusaran pada permukaan bahan magnetik.

Tekstur topologi pusaran ditemukan dalam dua jenis bahan utama: feromagnet dan antimagnet. Dari keduanya, antimagnet lebih stabil dibandingkan feromagnet, namun lebih sulit dipelajari karena tidak memiliki tanda magnet yang kuat.

Antimagnet dan magnetometri kuantum berlian

Untuk mempelajari perilaku antimagnet, Attatori dan rekan-rekannya menggunakan teknik pencitraan yang dikenal sebagai magnetometri kuantum berlian. Teknik ini menggunakan putaran tunggal – momentum sudut yang melekat pada elektron – dalam jarum berlian untuk mengukur secara tepat medan magnet pada permukaan suatu material, tanpa mempengaruhi perilakunya.

Dalam studi saat ini, para peneliti menggunakan teknik ini untuk melihat hematit, bahan oksida besi antimagnetik. Yang mengejutkan mereka, mereka menemukan pola muatan magnet tersembunyi di dalam hematit, termasuk monopole, dipol, dan quadrupole.

Rekan penulis Profesor Paolo Radelli dari Universitas Oxford mengatakan: “Keberadaan monopole telah diprediksi secara teoritis, tetapi ini adalah pertama kalinya kita benar-benar melihat monopole 2D pada magnet alami.”

“Monokutub-monokutub ini adalah keadaan kolektif dari banyak putaran yang mengorbit suatu singularitas, bukan satu partikel stabil, sehingga mereka muncul melalui interaksi banyak benda. Hasilnya adalah partikel stabil kecil yang terlokalisasi yang muncul darinya,” kata salah satu penulis pertama, Dr. Harium Jani, dari Universitas Oxford.medan magnet yang bervariasi.

Rekan penulis pertama Dr Anthony Tan, dari Universitas Harvard, mengatakan: “Kami telah menunjukkan bagaimana magnetometri kuantum berlian dapat digunakan untuk mengungkap perilaku misterius magnetisme dalam material kuantum 2D, yang dapat membuka bidang studi baru di bidang ini.” Laboratorium Cavendish. “Tantangannya selama ini adalah untuk menggambarkan secara langsung jaringan-jaringan ini dalam antimagnet karena daya tarik magnetnya yang lemah, namun kini kami dapat melakukannya, dengan kombinasi indah antara berlian dan karat.”

Studi ini tidak hanya menyoroti potensi magnetometri kuantum berlian, tetapi juga menggarisbawahi potensinya untuk mendeteksi dan menyelidiki fenomena magnetik tersembunyi dalam material kuantum. Jika dikendalikan, jaringan berputar-putar yang ditutupi muatan magnetis ini dapat menjalankan logika memori komputer dengan sangat cepat dan hemat energi.

Referensi: “Deteksi munculnya muatan magnet pada antimagnet menggunakan magnetometri kuantum berlian” oleh Anthony KC Tan, Harium Jani, Michael Hogan, Lucio Stefan, Claudio Castelnuovo, Daniel Brund, Alexandra Jim, Annika Michnic, Matthew SJ Fiore, Helena s. Knowles, Ariando Ariando, dan Paolo G. Radelli dan Miti Atatori, 5 Desember 2023, Bahan alam.
doi: 10.1038/s41563-023-01737-4

Penelitian ini sebagian didukung oleh Royal Society, Sir Henry Royce Institute, Uni Eropa, dan Dewan Penelitian Teknik dan Ilmu Fisika (EPSRC), bagian dari Riset dan Inovasi Inggris (UKRI).