Một dạng của đơn cực từ đã được tìm ra Tại sao chỉ có những hạt mang điện tích hoặc dương hoặc âm mà lại không có những hạt mang từ tích hoặc Bắc hoặc Nam? Bài toán đã được đặt ra cách đây hơn một thế kỷ. Năm 2009những chuẩn hạt (quasi-particle)đơn cựctừ đã được phát hiện trong các tinh thể băng spin (spinice) bởi ClaudioCastelnovo(Oxford),Jonathan Morris(Trung tâm Helmholtz, Berlin), TomFennell (Viện Laue-Langevin, Grenoble) Có thể nói đây làmộtphát hiện quan trọng đối với lýthuyết lẫncôngnghệ. Trongvật lý học đơn cựctừ là mộthạt giả định,có thể đượcmiêutả như là một thanh namchâm chỉ cómộtcực, Bắc hoặc Nam.Sự tồn tại củađơncực từ đã được các nhà vật lý lýthuyết tiên đoán hơnmộtthế ký trướcđây. Một thỏi từ luôn cóhaicực: Namvà Bắc. Nếu cắt thỏi từ làm hai thì mỗi phần cũng lại có haicực như ban đầu.Nếu tiếp tục cắt nữa thì ta vẫn không thu được thỏi từ đơn cực. Sự tồn tại songsong hai cực dường như là mộtđặctính không thayđổi của các vật thể từ, nói cách khácdường như đơn cực từ không tồn tại. Song nhiều thế kỷ nay các nhà vật lý lýthuyết cóđầy đủ cơ sở khoa học để nói rằng tồn tại nhữngđơn cựctừ. Ngườita đã truy lùng đơn cực từ trong các phiến đá ngầm ở dưới mặt đất, trong bụi từ Mặt trăng, vàcả trong cácmáy gia tốc khổnglồ, song kết quả vẫnlà số không. Lý thuyết điện từ Như chúng ta biết nguyêntử cũng có từ trường.Trongmẫu Bohr về nguyên tử, các electronquay chungquanhhạt nhâncủa nguyên tử, chính chuyển độngnày đã tạo nên từ trường của nguyên tử. Ngườikhởi xướngđầu tiên về sự tồn tại của đơn cực từ là PierreCurie vào năm 1894, cuối thế kỷ XIX. Ông nhận thấy rằng haicực khác têncủanamchâm hút nhau và hai cực cùng tên đẩy nhau hoàn toàn tương tự như hai điện tích khácdấuvà đồngdấu. Năm1873Maxwell tìm ra các phương trìnhđiện từ nối liền điện trườngvà từ trường. Dạngchuẩn khôngchứa một từ tích qm nào. Nếu đưa từ tích qm (tươngtự như điện tích qe ) vào thì các phươngtrình hoàntoàn đối xứngvới phép thay điện trường và từ trường. Một câuhỏi: “Tại saotừ tích dường như luôn luôn bằng không?” JosephPolchinski, một nhàlý thuyết dây đã mô tả tìnhhuống liên quan đếnsự tồn tại của đơn cực từ như là “một cuộc đánh đố an toàn nhất mà người ta có thể đặt cược trong vật lý song lại chưa ai thắng được cược vì đơn cực từ chưa được tìm ra”. Điều kiện lượng tử hóa của Dirac Năm1931Paul Dirac xét một hệ gồm một đơn cựcđiệnvàmộtđơn cực từ, điện từ trường baoquanhhệ cómộtmômengóc tổng cộng tỷ lệ với qe qmđại lượng này không phụ thuộc vào khoảng cách giữa haitích. Lý thuyết lượngtử buộc rằngmômen góc này phải được lượng tử hóatrong đơn vị ħ. Như thế nếu tồn tại đơn cực từ và nếu phương trình Maxwell là đúng thì các điện tíchphải được lượng tử hóa (và chúngta đã biết rằng quả là điện tích chỉ lấy những trị số gián đoạn hay nói cách khác là bị lượng tử hóa, vậy đơn cựctừ phải tồn tại). Hãy tìm điều kiện lượng tử hóa. Dirac lại xét một từ tíchnguồn qm và một điện tích thăm dò (probe) qe chuyểnđộngquanh đường xích đạo của từ trường.Khi điện tíchtrở về điểm banđầu thì hàmsóng thu đượcmột pha(hiệu ứng Aharonov- Bohm), phanày tỷ lệ với cả qe và qm. Vì electrontrở về điểm xuất phát cho nên phaexp(iφ) của hàmsóng phải không thayđổi cho nên phaφ phải là mộtbội của 2π:qe . qm phải tỷ lệ với 2π ħZ. Trongđó Z làtập các số nguyên. Đấy chính là điều kiện lượng tử hóa của Dirac Các lý thuyết thống nhất Vì thiếu các chứng cứ thực nghiệmvề sự tồntại của đơn cực từ cho nên đơn cực từ thường đượcxemnhư một hạt hoàn toàngiả định có tính lýthuyết. Song đến những năm 1960quan điểm này đã thayđổivì sự xuất hiện nhiều lý thuyếtthống nhất.Theocác lý thuyết này ngaysau Bigbangmọi tương tác đều thốngnhất thành một, chỉ sau đó cáctươngtác mới táchthành nhiều nhánh. Trong các lý thuyết thống nhất đềuxuất hiệnnhững đơncực. Ví dụ trong nhiều lý thuyết GUT(Grand Unified Theory- Lý thuyết Thống nhất Lớn thống nhất tươngtác điện yếu với tương tác mạnh)xuất hiệnđơn cực từ. Lý thuyết Dây(String Theory)cũng dẫn đến sự tồn tại của nhiều loại đơn cực. Như vậy đơncực từ có thêm nhiều bằng chứng tồn tại tấtyếu không còn làgiả định như riêng tronglý thuyếtđiện từ. Một thể hiện của đơn cực từ đã được tìm ra trong môi trường đông đặc (condensed matter) Không phải trongvũ trụ cũng không phải trong cácmáy gia tốckhổng lồ hiện đại màchính trong môi trườngđông đặc thôngthường các nhàvật lý lần đầu tiên đã phát hiện mộtdạngcủa đơn cực từ. Họ đã quansát được hiện tượngnày trong các tinh thể bình thường gọi là băng spin(spin ice). Chúngta đã biết trong tinh thể băng của nước (ice) ta có cấu hình trong đó các nguyêntử H nằm trênđỉnhcủa một hình tứ diện(Hình1). Các tinh thể băng spinđượctìm ranăm 1997bởi MarkHarris (Đại họcOxford). Một tinhthể như thế là Dy2Ti2O7, dysprosiumtitanate (xemHình 2). Sở dĩ tinh thể này gọi là băng spinvì các nguyên tử O trong tinhthể nằm trên đỉnh của một hình tứ diện (tetrahedron)có spin hướngtheo mộtcấu hình giống như trongtinhthể băng củanước(Hình 3).Các hình tứ diệnnày sắp xếp thành mạng tinh thể. Nhữngspin này tạo nênnhững nam châm vimô.Và ở nhiệt độ thấp,trong mạng tinh thể, cácnam châm này xếp đặt theocấu hìnhcực Bắc của namchâmnày hướngliền với cựcNamcủa namchâm lân cận theo cácđịnh luật của cơ họclượng tử. Song nếu chúngta cung cấp cho mạng mộtnăng lượng dưới dạng nhiệtnăng thì điều này có thể giải phóng một số ràng buộc cáchxếp đặt trên và dẫn đến hiện tượng quayđảo của một nam châm (lấy ngẫu nhiên) và cực Bắc namchâm này có thể hướngliềnvới cực Bắc của namchâm kia và hìnhthànhmột “từ tích-charge magnétique”nói cách kháchìnhthành một đơn cực Bắc. Một đơn cực Namcũng sẽ hình thành như vậy (Hình 4). Dotác động của nhiệt năng, spin lân cậnvới spin banđầu lại cũngsẽ bị quay đảo theo kiểu như thế và hiên tượng xảy ra liên hoàn. Ludovic Jaubert,phòngthí nghiệmvật lý Đại học Sư phạmcao cấp Lyon giải thích tiếp như sau:nhữngđơn cực hìnhthành như thế lan truyềntrong mạngtinhthể và tạo nên một loại khí các đơn cực. ClaudioCastelnovo đã thực hiện các phéptính theo một mô phỏng số và tìm thấy rằng ở nhiệt độ một kelvin (xemchú thích) xuất hiệnmộthai đơn cực từ trên mỗitrăm hìnhtứ diện của mạng. Đây là một hiện tượng đột sinh quantrọng. Song nên chúý rằng những đơn cực từ này chưa phải lànhững hạt cơ bản mà Dirac nóiđến, chúngmới chỉ là những chuẩn hạt (quasi-particles) trong môi trường đông đặc (condensed matter).Songlốihànhxử của nhữngchuẩn hạt này khôngphân biệtđượcsovới nhữnghạtđơn cực từ thực, chonên những chuẩn hạt này hoàn toàn xứngđángđượcxemlà nhữngđơn cực từ. Nhóm TomFennellđã đo được giátrị của từ tích vào cuối năm 2009(5.10-13 joules/tesla.m,xemchú thích). Trên hình vẽ mô tả cấu hình của Dy2Ti2O7 các nguyên tử oxygen (hình tròn màu đen) nằm trên các đỉnh của một hình tứ diện Hướng spin của các nguyên tử oxygen Sự hình thành các đơn cực tù trong mạng tinh thể: các mũi tên là các nam châm vi mô có hai cực Bắc & Nam, sau quá trình quay đảo của các mũi tên ta có vòng tròn N (Nord) mô tả một đơn cực Bắc còn vòng tròn S (Sud) - một đơn cực Nam. Detector trong thí nghiệm MoEDAL trên máy gia tốc LHC nhằm tìm các hạt lạ (exotic) như đơn cực từ và các hạt siêu đối xứng (supersymmetric). Những dòng từ dạng ống trên hình vẽ đã xuất hiện trong các băng spin do chuyển động của các đơn cực từ chuẩn hạt trong lòng tinh thể. Sự quan trọng của việc phát hiện chuẩn hạt đơn cực từ Tuy rằng những đơn cực từ được phát hiệnchưa phảilà những đơncực từ thực thụ song ý nghĩacủasự pháthiện những chuẩn hạt này không vì thế mà kémphần quan trọng. Trước hết phát hiệnnày cho phép hiểu được các tính chấtcơ bản của các loạibăng spin (spin ice) như dysprosium titanate.Phát hiện này thiếtlập được mốitươngtự quan trọnggiữa vật lý các môi trườngđông đặc gắn liền với việc nghiêncứu các chất rắn và vật lý nănglượng cao gắn liền với việc nghiên cứu các hạt cơ bản. Sự pháthiệncácđơn cực từ trong băng spincó thể làkimchỉ đường cho sự phát hiện những hạt đơn cựctừ thực thụ.Trên máy giatốc siêu đại LHC thí nghiệmMoEDAL (MonopoleandExotics Detector atthe LHC) được xâydựngđể tìm các đơn cực từ chính hiệu phátsinhtừ va chạm cácproton ở năng lượngsiêu cao (Hình 5). Nhữngđơn cực từ chuẩn hạt gây nên những dòng từ (courant magnétique) (Hình 6), giống như những dòngđiện trong công nghệ điện tử(electronique).Vàmục tiêu cuốicùng sẽ là việc sử dụngnhững dòngtừ này vào việc lưu trữ và chuyển tải thông tin.Hiệnnaycũng đã phát sinh một từ ngữ khoa học mới,đó là từ magnetricity (từ học) bên cạnh từ electricity (điện học). Kết luận Như vậybài toán hóc búa tìm đơn cực từ đã hé mở mộtgóc của bức màn bí mật. Chắc chắn người ta sẽ tìm rahạtđơncực từ thực thụ (xin đọclại lời phátbiểudẫn trên đây của JosephPolchinski)và kết quả này sẽ chứng minhtính đối xứng tuyệt đối giữa điện và từ và đẩy công nghệ ứng dụng điện từ lên một trìnhđộ cao hơn hiện naynhờ sử dụng điện tích (đơn cực điện) lẫn từ tích (đơn cực từ). . chưa ai thắng được cược vì đơn cực từ chưa được tìm ra . Điều kiện lượng tử hóa của Dirac Năm1931Paul Dirac xét một hệ gồm một đơn cực iệnv một ơn cực từ, điện từ trường baoquanhhệ cómộtmômengóc. tồn tại của nhiều loại đơn cực. Như vậy đơncực từ có thêm nhiều bằng chứng tồn tại tấtyếu không còn làgiả định như riêng tronglý thuyếtđiện từ. Một thể hiện của đơn cực từ đã được tìm ra trong. Một dạng của đơn cực từ đã được tìm ra Tại sao chỉ có những hạt mang điện tích hoặc dương hoặc âm mà lại không có những hạt mang từ tích hoặc Bắc hoặc Nam? Bài toán đã được đặt ra cách