Manyetik Tek Kutup Araştırmaları

Maxwell denklemlerine göre tüm elektrik ve manyetik alanların kaynağı, elektrik yükleri ve bu elektrik yüklerinin hareketidir. Özetle:

  1. elektrik yükleri çevrelerinde elektrik alan oluşturur
  2. elektrik yüklerinin hareketi manyetik alan oluşturur
  3. değişen elektrik alanlar manyetik alan üretir
  4. değişen manyetik alanlar elektrik alan üretir

Eğer bir manyetik tekkutup varsa, bu Maxwell denklemlerinin iki şekilde değiştirilmesine sebep olacaktır:

  1. manyetik tekkutuplar çevrelerinde manyetik alan oluşturacaktır
  2. manyetik yüklerin hareketi elektrik alan oluşturacaktır

Ayrıca en küçük kütleli manyetik yük kararlı olacak ve manyetik yük korunacaktır. Yıllardır pek çok deneyci manyetik tekkutupların varlığını ispatlamaya çalışıyor. Bu araştırmalar doğrudan ve dolaylı araştırmalar olarak ikiye ayrılabilir. Doğrudan araştırmalar manyetik tekkutupların varlığının sebep olduğu değişiklikleri, dolaylı araştırmalar ise gerçekleşen fiziksel süreçlerin ara basamakları sırasında oluşabilecek sanal manyetik yüklerin sebep olduğu değişiklikleri gözlemlemeye çalışır. Doğrudan gözlem yöntemlerinden biri ferromanyetik malzemelerin içinde hapsolmuş manyetik tekkutupları bulmaya çalışmak. Ancak bu yöntemin başarılı olma ihtimali düşük. Çünkü bir manyetik tekkutbun kristal yapıdaki bir katıya bağlanması için keV (kilo elektron volt) ölçeğinde enerji gerekli, ancak bir manyetik tekkutbun atom ölçeğinde mesafe kat ederek edineceği enerji ise sadece eV’ler ölçeğinde. Bugüne kadar yüzlerce kilogram malzeme kullanılmasına rağmen manyetik bir tekkutbun varlığına dair herhangi bir veri elde edilemedi. Sonuçlar manyetik bir tekkutup varsa bile (manyetik yük parçacığı)/(çekirdek parçacığı) oranının 10-29’dan küçük olduğunu gösteriyor.

Manyetik tekkutup gözlemlemek için kullanılan bir diğer yöntem süperiletken detektörlerin içinden geçen manyetik tekkutupları belirlemek. Eğer bir süperiletken halkanın içinden manyetik bir tekkutup geçerse, manyetik akıda yaşanacak değişiklik sonucunda bir elektrik alan oluşacak ve süperiletkenden akım geçmeye başlayacaktır. Süperiletkenlerin elektriksel direnci sıfır olduğu için bu akımın şiddeti büyük olacaktır. Noktasal manyetik tekkutuplara benzer biçimde manyetik alanlar oluşturan bobinler ile yapılan deneyler, kuramsal hesaplarla büyük bir uyum içinde. Bu durum bugüne kadar hiçbir olumlu veri elde edilememesine rağmen bu yöntemin başarılı olabileceğini gösteriyor.

Sentetik Manyetik Tekkutuplar

Bugüne kadar noktasal manyetik yükler gözlemlenememiş olsa da araştırmacılar noktasal manyetik yükler gibi çevrelerinde manyetik alan oluşturan malzemeler üretmeyi başardı. Bu bağlamda öne çıkan iki çalışmadan bahsedilebilir. Birincisi Oxford Üniversitesi, Princeton Üniversitesi ve Max Planck Karmaşık Sistemler Fiziği Enstitüsü’nden bir grup araştırmacı tarafından “spin buzları” kullanılarak yapılan bir araştırma. Spin buzları, temel enerji seviyesi çoklu yapıda olduğu için sıcaklık 0 K’e yaklaşırken entropinin sıfıra yakınsamadığı malzemelerin bir örneğidir. Bu isimle adlandırılmalarının nedeni malzemedeki atomların spinlerinin yönelimlerinin buzun kristal yapısına benzer biçimde düzenlenmesidir. Normalde bu malzemeler temel enerji seviyesindeyken, her bir kristal hücresinin içine doğru yönelmiş iki spin ve kristal hücresinden dışarıya doğru yönelmiş iki spin vardır. Eğer her bir spin bir çift noktasal manyetik yükten oluşmuş gibi düşünülürse, temelenerji seviyesindeki bir kristaldeki tüm yerlerin manyetik yükünün sıfır olduğu söylenebilir. Ancak malzeme uyarılarak dört spinden herhangi birinin yönü tersine çevrildiği zaman, manyetik tekkutuplara benzeyen yapılar oluşur. Dr. C. Castelnovo ve çalışma arkadaşlarının Dy2TiO7 ve Ho2Ti2O7 kullanarak yaptığı deneyler, malzemeler içinde oluşturulan yapıların manyetik Coulomb etkileşimi gösterdiğini ve manyetik yükler gibi elektromotor kuvvet ürettiklerini gösterdi. Ancak kristal yapı içinde manyetik tekkutuplar gibi davranan atom büyüklüğündeki bu yapılar, kristal yapıdan ayrıştırılıp tek tek incelenemiyor.

Sentetik manyetik tekkutuplar üzerine başka bir çalışma yakın zamanda ABD’li ve Finlandiyalı bir grup araştırmacı tarafından yapıldı. Çalışma daha önce Helsinki Teknoloji Üniversitesinde çalışan V. Pietila ve M. Möttönene adlı araştırmacıların yaptığı kuramsal hesaplara dayanıyor. 2009’da Physical Review Letters’da yayımlanan makalede ileri sürülen yöntem, Bose-Einstein yoğuşmasına uğramış ve spini 1 olan parçacıklar kullanılarak manyetik tekkutuplar üretilebileceğini öne sürüyordu. Böyle bir sistem, harici manyetik alanların yokluğunda, biri ferromanyetik diğeri antiferromanyetik iki fazda bulunabilir. Ancak yeteri kadar güçlü harici manyetik alanlar uygulandığında sistemin spini manyetik alan yönünde hizalanır. Araştırmacılar, böyle bir sistemde harici manyetik alanın ayarlanmasıyla -noktasal manyetik yükler gibi- çevresinde manyetik alan oluşturan yapıların elde edilebileceğini kuramsal olarak gösterdi. Kısa bir süre önce bu yöntemi 87Rb atomlarının oluşturduğu Bose-Einstein yoğuşuğu üzerinde sınayan araştırmacılar, kuramsal hesaplarla uyumlu sonuçlar elde etti. Yoğuşuğun yoğunluğunun görüntüleri, Dirac tarafından geliştirilen kuramdakilere benzeyen sentetik manyetik yükler oluştuğunu gösteriyor. Ancak çalışma sırasında uyarılmış durumdaki Rb atomları kullanıldığı için, oluşturulan yapıların ne kadar kararlı olduğunu belirlemek amacıyla bozunma hızının da ölçülmesi gerekiyor. Elde edilen manyetik tekkutup benzeri yapıların gelecekte daha önce incelenememiş pek çok olgunun araştırılmasında yararlı olacağı düşünülüyor.

Sonuç:

Sonuç olarak yıllardır yapılan pek çok araştırmaya rağmen hâlâ gerçek anlamda bir manyetik tekkutup bulunamadığını söyleyebiliriz. Ancak tüm evrende tek bir manyetik tekkutbun bile var olmasının elektrik yüklerinin neden kuantize olduğunu açıklayabilecek olması, pek çok fizikçinin doğada manyetik tekkutupların var olduğunu düşünmesine neden oluyor. Eğer manyetik yük taşıyan noktasal parçacıklar gerçekten varsa, belki parçacık hızlandırıcılar kullanılarak üretilmeleri mümkün olabilir. Ancak en hafif manyetik tekkutbun kütlesi, şu anda kullanılmakta olan ya da ileride kurulabilecek hiçbir parçacık hızlandırıcının üretemeyeceği kadar büyük olabilir. Hem kuramsal tahminler hem de bugüne kadar parçacık hızlandırıcılarda manyetik tekkutupların gözlemlenememiş olması da buna işaret ediyor.

Cevap Yaz