ครั้งแรก! พิสูจน์ให้เห็น "แม่เหล็กขั้วเดียว" มีจริง

เราทราบดีว่าแม่เหล็กต้องมี 2 ขั้ว คือขั้วเหนือและขั้วใต้ แต่ยังมีแม่เหล็กอีกประเภทคือ "แม่เหล็กขั้วเดียว" ที่ "พอล ดิแรค" ยอดนักฟิสิกส์ในศตวรรษก่อนได้เสนอทฤษฎีไว้ และยังไม่มีใครเคยเห็นแม่เหล็กตามทฤษฎีของเขามาก่อน จนกระทั่งทีมนักวิจัยเยอรมันและอังกฤษ ได้ร่วมกันพัฒนาจนได้เห็นว่าแม่เหล็กขั้วเดียวนั้นเป็นอย่างไร

ไซน์เดลีรายงานว่า มีหลายทฤษฎีที่ทำนายการมีอยู่ของแม่เหล็กขั้วเดียว (Magnetic monopoles) และท่ามกลางทฤษฎีเหล่านั้นมีทฤษฎีของ พอล ดิแรค (Paul Dirac) นักฟิสิกส์ชื่อดังแห่งศตวรรษที่ 20 ที่เสนอไว้ในปี ค.ศ.1931 โดยการคำนวณของเขาได้ข้อสรุปว่า แม่เหล็กขั้วเดียวนั้นมีอยู่จริง ณ ปลายท่อที่มีชื่อเรียกเฉพาะว่า "ดิแรคสตริง" (Dirac strings) ซึ่งเป็นท่อที่บรรจุสนามแม่เหล็กไว้ แต่จนบัดนี้ยังไม่มีใครตรวจพบแม่เหล็กประเภทนี้

กระทั่งทีมนักวิจัยจากสถาบันวิจัยด้านวัสดุศาสตร์และพลังงานเฮลม์โฮลซ์ในเบอร์ลิน (Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie) ได้ร่วมวิจัยกับคณะวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดรสเดิน (Dresden) มหาวิทยาลัยเซนต์แอนดรูวส์ (St. Andrews) มหาวิทยาลัยลาพลาตาแห่งอาร์เจนตินา (La Plata) และมหาวิทยาลัยออกฟอร์ด (Oxford) สหราชอาณาจักร ได้สังเกตเห็นแม่เหล็กขั้วเดียวนี้ เป็นครั้งแรกในโลก และพบว่าแม่เหล็กชนิดนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร ซึ่งผลจากการวิจัยนี้ได้เผยแพร่ลงวารสารไซน์ (Science)

ทั้งนี้โจนาธาน มอร์ริส (Jonathan Morris) อลัน เทนแนนท์ (Alan Tennant) และคณะจากสถาบันฯ เฮลม์โฮลซ์ในเบอร์ลิน รับผิดชอบในส่วนของการทดลองกระเจิงนิวตรอนด้วยเครื่องปฏิกรณ์เพื่อการวิจัย (Berlin research reactor) ซึ่งวัสดุที่ใช้ในการสังเกตการณ์ทดลองครั้งนี้ คือผลึกเดี่ยวของดายส์พรอเซียมไททาเนต (Dysprosium Titanate)

ผลึกเดี่ยวชนิดนี้ มีรูปทรงทางเรขาคณิตที่ไม่ธรรมดาที่เรียกว่า ไพโรคลอเร-แลตติซ (pyrochlore-lattice) ซึ่งการกระเจิงนิวตรอน จะทำให้เห็นโมเมนต์แม่เหล็กภายในผลึกเดี่ยวนี้ ซึ่งเกิดการจัดเรียงใหม่อยู่ในรูปของเส้นสปาเก็ตตีที่ม้วนหมุน หรือเรียกว่า "สปิน-สปาเกตตี" (spin-spaghetti)

ชื่อของการจัดเรียงนี้ ได้จากลักษณะการจัดเรียงภายในผลึก ให้เป็นแม่เหล็ก 2 ขั้ว เป็นโครงข่ายที่บิดเบี้ยวของท่อ หรือเส้นเชือกไปตามการไหลของสนามแม่เหล็ก ซึ่งสามารถเห็นลักษณะดังกล่าวได้จากอันตรกริยาที่เกิดกับนิวตรอน ซึ่งมีโมเมนต์แม่เหล็กอยู่ ดังนั้นนิวตรอนจะกระเจิงรูปแบบการไหลของสนามแม่เหล็กในลักษณะสวนทางกัน

ระหว่างที่นิวตรอนกระเจิงการไหลของสนามแม่เหล็กนั้น นักวิจัยจะสามารถวัดสนามแม่เหล็กของผลึกเดี่ยวได้ และสนามแม่เหล็กนี้สามารถเหนี่ยวนำสมมาตรและการหมุนของเส้นเชือกได้ ดังนั้นจึงสามารถลดความหนาแน่นของเครือข่ายเส้นเชือกและเสริมให้เกิดการแยกเป็นขั้วเดียวได้ โดยเงื่อนไขที่อุณหภูมิ 0.6-2 เคลวิน เราจะเห็นเส้นเชือกและสนามแม่เหล็กขั้วเดียวที่ปลายเส้นเชือกได้