یکی از مفاهیمی که در فیزیک مدرسه یاد گرفتیم این است که هر آهنربا دو قطب دارد: شمال و جنوب. این دو قطب همیشه با هم وجود دارند و نمی توان آنها را از هم جدا کرد. اگر آهنربا را از وسط بشکنیم، دو آهنربای کوچکتر با قطب شمال و جنوب ایجاد می شود. اما آیا می توان یک آهنربا تنها با یک قطب داشت؟

پاسخ به این سوال ممکن است شما را شگفت زده کند. دانشمندان اخیرا موفق به کشف نوع جدیدی از آهنربا شدند که تنها یک قطب دارد. این آهنرباها به عنوان تک قطبی مغناطیسی شناخته می شوند و خاصیتی دارند که در آهنرباهای معمولی یافت نمی شود: آنها می توانند بدون یک قطب مقابل وجود داشته باشند.

تک قطبی های مغناطیسی از دیرباز یکی از معماهای فیزیک بوده اند. فیزیکدان بریتانیایی پل دیراک برای اولین بار در سال 1931 ایده ای را ارائه کرد که نشان می داد چگونه قطب های مغناطیسی می توانند با قوانین فیزیک مطابقت داشته باشند. او همچنین انتظار داشت که وجود این ذرات می تواند توضیحی برای وجود شار مغناطیسی در فضا باشد. اما تاکنون هیچ تک قطبی مغناطیسی واقعی در طبیعت یافت نشده است.

دانشمندان سال هاست که در تلاش برای تولید یا شبیه سازی تک قطبی های مغناطیسی در آزمایشگاه بوده اند. اما خیلی سخت بود. تا اینکه گروهی از دانشمندان دانشگاه لوزان سوئیس با استفاده از روشی جدید موفق به ساخت نوعی آهنربای مصنوعی شدند که رفتار تک قطبی مغناطیسی از خود نشان می دهد. این آهنربا از ماده ای نانوساختار به نام مغناطیسی پیرولات ساخته شده است که خاصیتی به نام مغناطش منفی دارد.

این خاصیت باعث می شود که این ماده در مواجهه با میدان مغناطیسی جهت مغناطیسی خود را تغییر دهد و به سمت مخالف میدان مغناطیسی حرکت کند. به این ترتیب این ماده می تواند یک قطب مغناطیسی را از دیگری جدا کند و یک آهنربای تک قطبی ایجاد کند.

بر اساس این گزارش معکوسبه تازگی پروفسور هاریوم جانی از دانشگاه آکسفورد و همکارانش در مقاله ای علمی که در مجله معتبر منتشر شده است. طبیعت به گونه ای منتشر شد که این ایده را دوباره به منصه ظهور رساند.

آهنرباهای تک قطبی چگونه برای دانشمندان تشکیل می شوند؟

در این مقاله، جانی و همکارانش مشاهدات خود از یک کشف جدید در زمینه مغناطیس را فهرست‌بندی و توضیح می‌دهند. آنها با استفاده از یک تکنیک تصویربرداری پیشرفته به نام مغناطیس سنجی کوانتومی الماس، توانستند میدان های مغناطیسی را بر روی سطح یک قطعه هماتیت، نوعی ماده معدنی اکسید آهن، نقشه برداری کنند. آنها متوجه شدند که در سطح هماتیت، گروه‌هایی از مولکول‌ها به هم چسبیده و به دلیل برهم‌کنش‌شان خاصیتی ایجاد می‌کنند. این خاصیت به خاصیت ظهور معروف است و در این حالت آن خاصیت این است که این گروه از ذرات تنها با یک قطب می توانند میدان های مغناطیسی کوچکی تولید کنند.

این میدان های مغناطیسی تک قطبی که به عنوان تک قطبی مغناطیسی شناخته می شوند، با آنچه که همه ما در فیزیک و مغناطیس در مدرسه یاد گرفتیم، در تضاد هستند. این اصل این است که هر آهنربا دو قطب دارد: شمال (N) و جنوب (S). این دو قطب همیشه با هم وجود دارند و نمی توان آنها را از هم جدا کرد. اما در این مورد با نوعی مغناطیس سروکار داریم که تنها یک قطب دارد و بدون قطب مخالف همراه پایدار است.

در ادامه این مقاله جانی به پدیده دیگری اشاره کرد و گفت این آهنرباهای تک قطبی از نوع شبه ذره ای هستند. به زبان ساده، باید گفت که این آهنرباها در واقع یک ذره واقعی نیستند، بلکه حاصل برهم کنش گروه هایی از ذرات هستند که مانند یک ذره رفتار می کنند. این گروه از ذرات با استفاده از تکانه زاویه ای خود میدان مغناطیسی تولید می کنند که تنها یک قطب دارد. تکانه زاویه ای به سادگی نیروی چرخش یک ذره است.

اما این کشف مهم است زیرا می تواند کاربردهای زیادی در زمینه های مختلف داشته باشد. برای مثال می توان از این کشف در زمینه ذخیره سازی اطلاعات استفاده کرد. به خاطر داشته باشید که حافظه کامپیوتر بر اساس اصول مغناطیس یا به طور دقیق تر بر اساس چرخش مغناطیسی شکل می گیرد. اگر بتوانیم تک قطبی های مغناطیسی را جدا کنیم (حتی اگر آنها شبه ذرات باشند تا ذرات واقعی)، مهندسان بیشتری قادر خواهند بود اسپین مغناطیسی را کنترل کنند. حتی ممکن است این ذرات اطلاعاتی را بر اساس جهت شمال یا جنوب قطب های مغناطیسی ذخیره کنند، مشابه صفر و یک ها که در دستگاه های ذخیره مغناطیسی سنتی یافت می شود و به اهداف امروزی ما بسیار نزدیک تر است.

دانشمندان امیدوارند با ادامه تحقیقات خود بتوانند تک قطبی های مغناطیسی را به طور کامل درک و کنترل کنند و از آنها برای حل مسائل پیچیده استفاده کنند. این کشف نشان می دهد که بسیاری از اسرار فیزیک هنوز کشف نشده اند و برخی از آنها ممکن است برخلاف آنچه فکر می کنیم باشد و تمام درس هایی را که در مدرسه آموخته ایم به چالش بکشد.