Magnetic Monopole Noise

این پایان نامه اولین اندازه گیری نویز ساطع شده از تک قطبی های مغناطیسی و توسعه یک طیف سنج نویز میدان مغناطیسی بسیار حساس بر اساس دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID) را ارائه می دهد که آن را فعال می کند. تک قطبی های مغناطیسی ذرات بنیادی بسیار گریزان هستند که بار مغناطیسی کوانتیزه را نشان می دهند. چشم انداز مطالعه آنها اخیراً با کشف نظری روشن شد که حالت های برانگیخته حرارتی در کلاس های خاصی از عایق های مغناطیسی همه ویژگی های تک قطبی مغناطیسی را نشان می دهند. علاوه بر این، در سال 2018، پیش‌بینی شد که حرکت تصادفی تک قطبی‌های مغناطیسی در داخل، نوع بسیار خاصی از نویز مغناطیسی ایجاد می‌کند. در این پایان نامه، نویسنده یک تکنیک تجربی جدید، به اصطلاح طیف‌سنجی نویز اسپین، و کشف متعاقب آن تقریباً تمام ویژگی‌های پیش‌بینی‌شده نویز مغناطیسی مورد انتظار از سیال متراکم تک قطبی مغناطیسی در کریستال‌های Dy2Ti2O7 را توصیف می‌کند. قابل توجه است، چون این نویز تک قطبی مغناطیسی در محدوده فرکانسی زیر 20 کیلوهرتز رخ می دهد، هنگامی که توسط SQUID تقویت می شود در واقع برای انسان قابل شنیدن است.

This thesis presents the first ever measurement of the noise emitted by magnetic monopoles and the development of an exquisitely sensitive magnetic-field-noise spectrometer based on a superconducting quantum interference device (SQUID) that enabled it. Magnetic monopoles are highly elusive elementary particles exhibiting quantized magnetic charge. The prospects for studying them brightened recently with the theoretical discovery that the thermally excited states in certain classes of magnetic insulators exhibit all the characteristics of magnetic monopoles. Furthermore, in 2018, it was predicted that the random motion of magnetic monopoles inside would generate a very specific kind of magnetization noise. In this thesis, the author describes a new experimental technique, so-called spin noise spectroscopy, and the subsequent discovery of virtually all of the predicted features of the magnetic noise expected from a dense fluid of magnetic monopoles in crystals of Dy2Ti2O7. Remarkably, because this magnetic monopole noise occurs in the frequency range below 20kHz, when amplified by the SQUID it is actually audible to humans.