Objev magnetických kvazimonopólů

V přírodě se běžně vyskytují oddělené elektrické náboje, záporné a kladné (tzv. monopóly). Existují i podobně elektricky nabité elementární částice (elektrony, protony). Tyto náboje jsou zdrojem základního elektrického pole. Pokud jde ale o magnetické pole, celá dosavadní zkušenost nám říká, že analogické severní a jižní póly jakéhokoliv jeho hmotného zdroje od sebe nelze oddělit. Při pokusu o libovolné rozdělení magnetu se nám totiž ve všech jeho částech vždy znovu objeví oba póly zároveň a jsou neodlučně spojené - jako tzv. dipól. A to i na atomární a částicové úrovni. Nejnovější objev fyziků z několika světových laboratoří však v tomto směru poněkud překvapil. Bylo totiž pozorováno cosi, co magnetické monopóly, tedy analogické magnetické jednoduché náboje, připomíná. Tvar pole kolem dipólu totiž vypadá dosti jinak než kolem monopólu. Mj. siločáry pole buzeného magnetickým dipólem jsou uzavřené, u monopólu je tomu naopak - míří přímo do tohoto náboje.

Zdá se, že tvar pole, odpovídající do jisté míry mýtickému magnetickému monopólu, byl skutečně v magnetické látce objeven. Není za tím ale reálná elementární částice, kterou teoreticky předpovídal geniální fyzik Paul Dirac již v roce 1931. Jde zřejmě o kolektivní, tedy složený, magnetický jev ve speciálně připravené a silně podchlazené krystalické pevné látce. (Pevné látky jsou doménou tzv. kvazičástic, což jsou vzruchy v látkovém prostředí, které mají některé vlastnosti částic, ale někdy mají i takové exotické vlastnosti, které skutečné částice nemívají). Podařilo se to několika skupinám fyziků, hlavně pracovníkům Helmholtzova centra v Berlíně a Laueova-Langevinova ústavu ve Francii.

Část berlínského výzkumného týmu (zleva Kirrily Rule, Jonathan Morris a Bastian Klemke)|foto: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie

Spinový led a spinové špagety

Vědci zkoumali speciální typ magnetického materiálu, kterému se říká "spinový led". Elementární magnetické dipóly spinového původu se v něm totiž nechovají stejně jako ve ferromagnetických (tedy silně magnetických) látkách, kde se orientují navzájem paralelně, ale spíše jako jádra atomů vodíku ve zmrzlé vodě. Spinové magnetické dipóly se zde propojily a zřetězily tak, že vytvořily spolu s magnetickým polem složité jednorozměrné křivkovité struktury (trubice magnetického toku), připomínající hromadu zapletených provázků. Začalo se jim proto říkat "spinové špagety".

Schéma experimentu|foto: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie

Samotné jednotlivé "provázky", tj. trubičky magnetického toku, podle autorů experimentu připomínají podobné útvary, které kdysi rovněž předpověděl Paul Dirac a které se podle něj nazývají Diracovy struny. Původní Diracovy struny by měly být přímo spojeny s kýženými magnetickými monopóly, ty by se totiž měly nalézat na jejich koncích. Avšak pozor, pravé Diracovy struny by měly být samy neviditelné, tj. fyzikálně nezjistitelné a neovlivnitelné. Pak by teprve byly "monopóly" na jejich koncích skutečně izolovány a mohlo by se jim říkat skutečně monopóly. V opačném případě jde spíše jen o velmi prodloužený dipól, protože "spinové špagety" se reálně projevují.

"Spinové špagety"|foto: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie

Diracovy struny - ano, či ne?

Berlínská skupina experimentovala s monokrystalickým titanátem dysprosia, atomu, který patří do skupiny prvků vzácných zemin. Jiná skupina experimentovala s titanátem holmia, které je podobným prvkem. Vědci tyto materiály zmagnetizovali a podchladili na teploty mezi 0.6-2 Kelviny. Za těchto podmínek se struktury, připomínající Diracovy struny s útvary, připomínajícími monopóly na koncích, údajně jasně vynořily a navzájem se separovaly. Podle vědců byl tento jev podrobně zmapován pomocí metody rozptylu nalétávajících neutronů. I neutron má totiž nenulový magnetický dipólový moment, takže je magnetickou látkou či jejím polem specificky odchylován.

Bastian Klemke u aparatury pro zjišťování měrné tepelné kapacity|foto: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie

Neutronové mapování podle autorů zprávy vytvořilo obrázek, jako kdyby v jistých místech prakticky existovalo pole sféricky symetrické a ubývající s druhou mocninou vzdálenosti, což by spíše odpovídalo monopólu ve středu této koule, nikoliv jednomu konci dipólu. Stále je zde však jisté "ale", které se týká hlavní podstaty věci, totiž jestli jsou oba "monopolární" konce údajných Diracových strun od sebe skutečně "dobře" odděleny, či ne. Do té doby je možná poctivější říkat ve slabším smyslu, že tyto monopolární útvary jsou monopólům podobné, že jsou to kvazimonopóly.

Magnetický kvazimonopól se zde tedy projevil jako velmi zvláštní a "složený" jev v exotické pevné látce. V podstatě jako kvazičástice. Tento fakt zřejmě poslouží při vývoji nových spinově magnetických součástek v rámci progresivní počítačové a informační technologie.

Diracův magnetický monopól zatím neobjeven...

Kdyby ovšem magnetický monopól existoval jako univerzální jev na základní částicové úrovni, podobně jako elektron, čili jako základní monopól elektrického pole, mělo by to dalekosáhlé důsledky. A to jak pro "sjednocenou teorii všeho", tak i pro podobu našeho Vesmíru. Dotyčná částice by totiž měla být velmi masivní a její existence souvisí s celou řadou faktorů, které pozorujeme nebo o kterých spekulujeme (mj. kvantování elektrického náboje, které skutečně nastává).

Menším následkem by pak byla také úprava jedné z Maxwellových rovnic, což je obecný matematický popis chování elektromagnetického pole.

Tento objev o existenci elementárního magnetického monopólu nebo jakéhokoliv jiného skutečného Diracova monopólu tedy patrně nic nevypovídá. Každopádně nám ale říká, že ani velká překvapení v našem světě nejsou dopředu vyloučena.

(Autor článku děkuje fyzikovi Lubošovi Motlovi za neocenitelné konzultace a připomínky k této problematice. Poděkování patří také prof. Janišovi z FZÚ AV ČR.)