Zvětšit obrázek

Paul Adrien Maurice Dirac (1902 – 1984), významný britský teoretický fyzik, spoluzakladatel kvantové mechaniky a kvantové elektrodynamiky, nositel Nobelovy ceny z roku 1933 spolu s Erwinom Schrödingerom za teorii stavby atomu. Na fotce má 80 let.

Elektrický náboj může existovat samostatně – bez svého protikladu. Naproti tomu se magnetický jih vždy váže na stejně velký sever a naopak – ať děláme, co děláme. Můžeme roztloukat libovolný permanentní magnet na drobnější a drobnější části a každá z nich bude mít oba, stejně silné póly. Zapomeneme na chvíli na naše zažité zkušenosti s kompasem a na pojmy „severní“ a „jižní“ pól, které vznikly historicky, díky vlastnosti magnetické střelky natáčet se v geomagnetickém poli. Když se na magnetické póly podíváme jako na kladný a záporný magnetický náboj, pak snadněji pochopíme, že otázka, proč, stejně jako elektrické náboje, nemohou existovat každý samostatně, je jedním ze vzrušujících rébusů moderní fyziky. Jeho kořeny sahají až ke konci 19 století, kdy Maxwell formuloval své slavné rovnice, jež spolu s Lorenzovou sílou popisují vlastnosti elektrických a magnetických polí.

V roce 1931 jeden ze zakladatelů kvantové mechaniky a kvantové elektrodynamiky, slavný britský fyzik a nositel Nobelovy ceny (1933) Paul Dirac teoreticky dokázal, že magnetický monopól může reálně existovat, jestli je elektrický náboj kvantován. To se později potvrdilo a teď za nejmenší kvantum náboje považujeme náboj kvarků down, strange a bottom: - 1⁄3  e, tedy 1⁄3  náboje elektronu. Elektron a proton jsou částice s nejmenším - elementárním elektrickým nábojem, který může existovat samostatně.

Zvětšit obrázek

Znázornění Diracovych řetězců, jakýchsi „spinových špaget“ spojujících opačné magnetické monopóly navzájem.
Kredit: HZB / D.J.P. Morris & A. Tennant

Moderní odvážné teorie – teorie velkého sjednocení (GUT - Grand Unified Theory) a teorie superstrun – s existencí magnetických monopólů přímo počítají. A tak se fyzici po nich usilovně pídí. Již několikrát se v odborné literatuře objevily články o experimentech, které by měly být alespoň nepřímým důkazem jeho reálné existence (například v roce 2003 v časopisu Science), ale doposud jednoznačné potvrzení chybělo.

Letos se s články o přímém experimentálním potvrzení existence magnetických monopolů roztrhl pytel : 1 , 2 , 3.
Všechny práce se však zabývají stejným jevem – vznikem samostatných magnetických monopólů v takzvaném "spinovém ledu" z dysprosiumtitanátu - Dy₂Ti₂O₇ (dysprosium je prvek vzácných zemin s protonovým číslem 66).

Zvětšit obrázek

Usporádaní směrů spinu (černé šipky) u spinového ledu a uspořádání protonů (jader vodíku – černé plné kroužky) vzhledem na ionty kyslíku ve vodním ledu.
Kredit: Wikipedia – Spin Ice

"Lidé hledali monopóly v kosmickém záření, v urychlovačích, i v měsíčních horninách," tvrdí Jonathan Morris z Helmholtzova Centra pro materiály a energii v Berlíně (Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie), který je se svými kolegy a kolegy z drážďanského Ústavu Maxe Plancka pro fyziku komplexních systémů (Max Planck Institut für Physik Komplexer Systeme) a čtyř vědeckých pracovišť z Velké Británie autorem článku uveřejněného 3. září v internetovém vydání Science Express. Tento vědecký tým podává doposud nejpřesvědčivější důkaz existence magnetických monopólů.

Experimenty prováděli na jednotlivých, asi centimetr velkých monokrystalech dysprosiumtitanátu (Dy₂Ti₂O₇). Tento materiál patří mezi takzvané „spinové ledy“, ve kterých se spinem vytvářené magnetické momenty iontů chovají podobně jako protony (jádra vodíku) ve vodním ledu. Ve „spinovém ledu“ jsou atomy uspořádány ve vrcholech čtyřstěnů a tvoří takzvanou pyrochlorovou strukturní mřížku (viz. obrázek).

Zvětšit obrázek

Dysprosiumtitanát - Dy₂Ti₂O₇ – tvoří krystaly, ve kterých jsou ionty uspořádané do tvaru čtyřstěnů, jež jsou propojeny do mřížky, která se nazývá pyrochlorová (pyrochlor (Na,Ca)₂Nb₂O₆(OH,F)).
Jestli ve čtyřstěnu dva spiny smerují dovniř a dva ven (obrázky vlevo), magnetické náboje se navzájem vykompenzují. Jestli se jeden ze spinů přetočí, uvnitř čtyřstěnu vzniká magnetický monopól(obrázky vpravo), jež není vázán k žádnému fyzikálnímu objektu (na částici). Kredit: Castelnovo, C., Moessner, R., Sondhi, S.L. Nature 451, 22-23 (2007)

Němečtí vědci chladili malé krystaly spinového ledu na teplotu blízkou absolutní nule (experimenty probíhaly v rozmezí teplot 0.6 až 2 Kelviny). Při ochlazování se snižuje tepelný pohyb a to umožňuje iontům ve vnitřní struktuře mřížky orientovat se tak, aby se jejich magnetické momenty navzájem vykompenzovaly a "zamrzly" v stavu nejnižší energie systému. Jestli se například vlivem tepelného vzruchu jeden iont přetočí, naruší tím vzájemné vykompenzování magnetických momentů v "jeho" čtyřstěnu. Porucha se dál klikatí mřížkou a překlápí ionty jako kostky domina. V krystalu spinového ledu se tak vytvářejí dlouhé pokroucené „kanály“ stejně orientovaných atomů – takzvané Dirac strings - Diracovy řetězce, nebo struny (je zvykem používat anglický termín), které tento slavný fyzik předpověděl. Jsou vodiči magnetického toku. Na jednom konci Diracovho řetězce je samostatný magnetický „jih“, na druhé „sever“. Tyto magnetické náboje vzniknou uvnitř těch čtyřstěnů, kde se spiny 3 ze 4 atomů ve vrcholech orientovaly stejným směrem do, nebo ven (viz obrázek a video pod článkem). Samostatné náboje jsou uvězněny v prostoru tetraedru, nejsou vázané na žádný fyzikální objekt (částici) a chovají se jako monopoly. Nejde je však měřit přímo, protože jsou těsně na sebe natlačené. Jejich vzájemná vzdálenost je menší než nanometr (1×10⁻⁹ m).

Aby Diracovy řetězce vědci „zviditelnili“, v laboratořích berlínského výzkumného reaktoru ostřelovali krystaly spinového ledu neutrony a zaznamenávali jejich rozptyl. Magnetické momenty neutronů a magnetické momenty seřazených atomů navzájem na sebe působí a tak ovlivňují dráhy prolétajících částic. V průběhu experimentu vědci na krystal spinového ledu působili vnějším magnetickým polem, kterým dokázali ovlivňovat symetrii a orientaci Diracových řetězců. Hledali takovou kombinaci hodnot pole, při které se jejich původně vysoká hustota sníží natolik, že dojde ke vzájemné separaci jednotlivých monopólů na jejích koncích.

Další potvrzení, že ve struktuře materiálu se za extrémně nízkých teplot tyto samostatné magnetické náboje vyvářejí, poskytlo i přesné měření změn tepelné kapacity. Magnetické monopóly ve spinovém ledu jsou velmi malé a nelze s nimi manipulovat zcela libovolně. Svůj krystal nikdy neopustí. Takže stále to není to pravé ořechové, po čem pátrali fyzici třeba mezi částicemi kosmického záření.

Video ze stránek New Scientist: Linus Pauling, významný americký vědec v oblasti biochemie a kvantové chemie, dvojnásobný nositel Nobelovy ceny za chemii i mír, již v roce 1935, na základě poznání vnitřní struktury vodního ledu, došel k závěru, že i při absolutní nule, tedy teplotě −273,15° C má led nenulovou zbytkovou (reziduální) entropii, tedy i nenulový stupeň volnosti. To samé platí i pro spinový led.
V stavu nejnižší energie pro strukturu čtyřstěnu platí, že spiny dvou iontů směrují dovnitř a dvou ven. Když se vlivem například tepelného pohybu jeden iont přetočí, může ovlivnit nejen orientaci sousedního iontu, ale naruší vzájemnou kompenzaci magnetických momentů a uvnitř čtyřstěnu vzniká jen na prostor vázaný magnetický náboj, který nemá svůj vlastní protipól. Ten vzniká řetězovou reakcí změn v orientaci iontů v krystalické struktuře spinového ledu někde úplně jinde, nejčastěji v povrchové vrstvě. Mezi takovými monopóly se vytváří různě se klikatící Diracův řetězec.

Zdroje:  Nature News , Science Daily , Wikipedia