Экспериментальное подтверждение гипотезы Максвелла: невращающиеся ферромагнетики ведут себя как гироскопы

Исследователи из Института фотоники и нанотехнологий IFN-CNR и Фонда Бруно Кесслера под руководством Андреа Винанте и Феликса Аренса впервые экспериментально подтвердили гипотезу Джеймса Максвелла, сделанную более 150 лет назад: невращающиеся ферромагнетики могут вести себя как гироскопы. Ученые наблюдали этот эффект на левитирующей ферромагнитной сфере диаметром 40 микрометров, помещенной в сверхпроводящую ловушку. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Более полутора веков назад Джеймс Клерк Максвелл (англ. James Clerk Maxwell) выдвинул предположение, что при определенных условиях ферромагнитные материалы, такие как железо, кобальт и никель, могут демонстрировать гироскопическое поведение без собственного вращения. Он связывал это явление с взаимосвязью между магнетизмом и внутренним угловым моментом, обусловленным выравниванием электронных спинов. Однако до недавнего времени это предсказание оставалось не подтвержденным экспериментально.

Ученые из Института фотоники и нанотехнологий IFN-CNR и Фонда Бруно Кесслера в Италии совместно с немецкими коллегами по проекту LEMAQUME сумели воспроизвести и зафиксировать этот эффект. В центре их экспериментальной установки находилась крошечная ферромагнитная сфера из неодимового сплава диаметром всего 40 микрометров. Сфера левитировала внутри сверхпроводящей ловушки за счет эффекта Мейснера, который обеспечивает бесконтактное подвешивание магнита над сверхпроводником. Такое состояние позволяло сфере совершать колебания наподобие маятника вокруг двух перпендикулярных угловых направлений.

Ключевым наблюдаемым явлением стало то, что при колебаниях в одном направлении сфера отклонялась и в перпендикулярном направлении, порождая необычную эллиптическую траекторию. Это отклонение, по сути, является проявлением гироскопического эффекта: оно возникает из-за внутреннего скрытого вращательного движения, связанного с квантовомеханическим выравниванием спинов электронов в ферромагнетике.

Обычно гироскопические свойства наблюдаются у быстро вращающихся объектов, таких как волчок, удерживающий вертикальное положение и совершающий медленную прецессию. Однако здесь тот же эффект был продемонстрирован на неподвижном в макроскопическом смысле магните.

Успех эксперимента, по словам Андреа Винанте, во многом определил малый размер сферы. Для макроскопического магнита гироскопическое поведение было бы слишком слабым, чтобы его можно было измерить, тогда как на микромасштабе оно становится отчетливо выраженным. Исследователи также отмечают, что параллельно в рамках того же проекта была разработана установка для измерения прецессии ферромагнетика в свободном падении, что подтверждает универсальность наблюдаемого эффекта.

Таким образом, работа ученых впервые экспериментально доказала предсказание Максвелла о гироскопическом поведении невращающихся ферромагнетиков. Это открытие не только заполняет важный исторический пробел в физике, но и создает основу для разработки сверхчувствительных магнитных датчиков, квантовых технологий и экспериментов на стыке классической и квантовой механики с использованием левитирующих наномагнитов.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях