Observados monopolos magnéticos en hielo de espín

Monopolo

Desde que se predijeran los monopolos magnéticos por primera vez por parte de Paul Dirac en 1931, los físicos han buscado en vano estas esquivas entidades en todos sitios, desde aceleradores de partículas a rocas lunares. Ahora, dos grupos de investigación independientes afirman haber captado una visión de los monopolos – básicamente imanes con un polo – en materiales magnéticos llamados hielos de espín (spin ices).

Los monopolos de hielo de espín tienen orígenes muy diferentes de los predichos en el trabajo de Dirac sobre la electrodinámica cuántica y por tanto su descubrimiento es improbable que ayude a los físicos a desarrollar una Gran Teoría Unificada de la Física de Partículas o Teorías de Cuerdas. Pero dado que los monopolos tienen lugar en materiales magnéticos, comprender sus propiedades podría ayudar en el desarrollo de memorias magnéticas y otros dispositivos espintrónicos.

Colaboraciones internacionales

Un equipo incluyó a Tom Fennell y sus colegas del Instituto Laue-Langevin (ILL) en Francia junto con físicos del Reino Unido. El otro incluía a Jonathan Morris y colegas del Centro Helmholtz en Berlín (HZB) junto con científicos del Reino Unido, Argentina y Alemania.

El grupo de Morris estudió el material cristalino Dy2Ti2O7, el cual tiene una celda unitaria tetraédrica con dos espines Dy apuntando al centro del tetraedro y dos hacia fuera. Se conoce como hielo de espín debido a que la ordenación de sus espines es similar a la de los átomos de hidrógeno en el agua helada.

Los espines en un hielo de espín no se alinéan como en un ferroimán. En lugar de esto, los físicos creen que se unen para crear unas líneas de flujo magnético dentro del material que recuerdan a un montón de cuerdas liadas. Se conocen como cuerdas de Dirac debido a que recuerdan los tubos de flujo que deberían conectar los monopolos magnéticos de acuerdo con los cálculos de Dirac.

Si la configuración de espín de un tetraedro indivual es perturbada – digamos, cambiando un espín “fuera” por “dentro” – se rompe una cuerda y el flujo magnético se derrama en una forma similar a un monopolo.

Morris y sus colegas aplicaron un campo magnético a se muestra de hielo de espín y encontraron que las cuerdas empezaban a romperse en secciones finitas que se alineaban a lo largo de direcciones específicas en el material. Esto se reveló disparando un rayo de neutrones sobre la muestra y estudiando el patrón de interferencia resultante cuando los neutrones (los cuales tienen momentos magnéticos) se dispersan desde las cuerdas.

Cada cuerda finita tiene un extremo “norte” y “sur” y los físicos creen que bajo ciertas condiciones la longitud de la cuerda puede cambiar fácilmente. Como resultado, los extremos de la cuerda parecerán comportarse como dos “cuasipartículas” individuales – monopolos norte y sur.

Aunque el grupo de Morris fue capaz de “ver” las cuerdas de Dirac con neutrones, dedujeron la existencia de monopolos midiendo la capacidad de calor del hielo de espín. Los físicos habían calculado que a temperaturas de alrededor de 1 K, la capacidad de calor de un hielo de espín debería recordar a la de un gas de monopolos magnéticos – que es exactamente los que vieron Morris y su equipo.

Mientras tanto en el ILL, Fennell y sus colegas usaron un rayo de neutrones de espín polarizado para estudiar un hielo de espín similar – Ho2Ti2O7. Estaban particularmente interesados en estudiar los estados base del hielo de espín para establecer si efectivamente podrían soportar excitaciones de monopolo. A bajas temperaturas y campo magnético cero, los físicos habían predicho que, para tener monopolos, este estado de lío nudoso debía estar en una “fase de coulomb magnética” – la cual confirmó el equipo a través de la observación de “puntos de aplastamiento” en sus datos de dispersión de neutrones.

En ausencia de cuerdas finitas y monopolos, los puntos de aplastamiento son muy concretos. No obstante, a temperaturas alrededor de 1 K, la excitación términca de los monopolos crea cuerdas finitas, las cuales extieden los puntos de aplastamiento – que es lo que los investigadores vieron en sus datos de difracción de neutrones.

Fennell dijo a physicsworld.com que el equipo está ahora tratando de medir la anchura de un punto de aplastamiento, lo cual debería dar la longitud de las cuerdas de Dirac. Mientras tanto, el grupo de Morris está ocupado midiendo la capacidad de calor de sus hielos de espín como una función del campo magnético aplicado – lo cual podría prorporcionar una mayor visión sobre los monopolos magnéticos.

Oleg Tchernyshyov de la Universidad Johns Hopkins en los Estados Unidos dijo que los hallazgos de ambos equipos están de acuerdo con la teoría que se reveló el año pasado por parte de algunos colegas de Morris. No obstante, señala que la teoría y experimentos son específicos a los hielos de espín, y que no es probable que arrojen luz sobre los monopolos magnéticos predichos por Dirac.

Un resultado general importante de la investigación, de acuerdo con Morris, es que los monopolos de hielo de espín son uno de los primeros ejemplos de “fraccionalización” – mediante el cual un espín se divide en dos entidades separadas – en un sistema 3D. Un ejemplo familiar en 2D de fraccionalización es el efecto cuántico Hall fraccional, cuyo descubrimiento dio como resultado que Robert Laughlin, Horst Störmer y Daniel Tsu ganaran el Premio Nobel de Física de 1998. Debido a esta y otras propiedades de los hielos de espín deberían ser compartidas por materiales magnéticos similares, podría llevar al desarrollo de nuevos materiales para dispositivos espintrónicos, tales como memorias magnéticas.

La investigación se publica en la revista Science Express.


Más información en Monopolos magnéticos nanométricos observados en cristales de hielo de espines

Autor: Hamish Johnston
Fecha Original: 3 de septiembre de 2009
Enlace Original

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Comments (8)

  1. Leviatán

    A mí me sonaba haber leído antes algo similar sobre el spin-ice, et le vóilà
    http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7174/abs/nature06433.html

    El Titanato de Disprosio (Dysprosium Titanate), ése condimento cristalino que no debe faltar en toda cocina que se precie de preparar los espaguetis al spin ( o Spin-Spaghetti).

    Por cierto, que tambien me recuerda a una novela de sf de Larry Niven llamada Protector, donde se especula con el descubrimiento de un material (hierro y no recuerdo qué más) en un asteroide del cinturón de ídem.

  2. Toranks

    El uso más original que he leído para los monopolos está en “Huevo del Dragón” de Robert Forward (La saga de los Cheela), donde usan el monopolo para crear una especie de asteroides ultradensos. También se insinúa su uso como catalizador de fusión nuclear en la misma novela.

  3. Turok

    En terminos generales hay que decir que de “monopolos magnéticos” nasti de plasti.Nadie ha hallado un partícula-monopolo-magnetica.Otra cosa es que como Jurl (creo que fue él), dijo, en la Física del Estado Sólido, como la lluvia en Sevilla,todo es una maravilla.Lo que significa que en esa física son posible situaciones que a su vez son imposibles que se den en el vacio.Y esas cuerdas de Dirac, nada tienen que ver con la Teoría del mismo nombre, serian como una lineas solenoidales de flujo magnético que conectarian dos monopolos de carga opuesta.

  4. El admirado Paul A. Dirac, hay que reconocer que tuvo más suerte con su positrón que con el Polo magnético que nunca apareció. Sin embargo, justo es reconocer que cohabitamos en una naturaleza abarrotada de fenómenos enigmáticos. Uno de estos fenómenos es la simetría insólita que se observa entre el magnetismo y la electricidad: no hay cargas magnéticas comparables a las cargas eléctricas. Nuestro mundo está lleno de partículas cargadas eléctricamente, como los electrones o los protones, pero nadie ha detectado jamás una carga magnética aislada. Y, el objeto hipotético que la poseería se denomina, precisamente, monopolo magnético, el protagonista de la noticia que comentamos.

    POdemos hacernos una idea de cómo sería un monopolo magnético si existiera, imaginemos una barra imantada que, como sabemos, posee en cada extremo un “polo magnético” por el que se atraen o se repelen. Estos polos son de dos tipos llamados “norte” y “sur”, y se comportan como las cargas eléctricas, positiva y negativa. Esa configuración del campo es un ejemplo de “campo bipolar”, y sus líneas de campo no paran: giran y giran interminablemente.

    Si partimos por la mitad la barra imantada, no tenemos dos polos, el norte y el sur, separados, sino dis imanes. Un polo norte o ser aislado (un objeto con campos de línea magnético que sólo salgan o que sólo entren) sería un monopolo magnético. DE hecho, es imposible aislar una de estas cargas magnéticas. Nunca se han detectado monopolos magnéticos, es decir, partículas que poseyeran una sola carga magnética aislada. Puede que eso se deba a razones no aclaradas, o bien la naturaleza no creo monopolos magnéticos o si lo hizo, los fabrico en un número tan reducido que, en este inmenso universo, son difíciles de localizar.

    En cambio, los monopolos eléctricos (partículas que llevan cargta eléctrica) son faciles de hallar y son muy abundantes. Cada chispa de materia contiene un número increíble de electrones y protones que son auténticos monopolos eléctricos. Podríamos imaginar las líneas de fuerza del campo eléctrico surgiendo de una partícula cargada eléctricamente o convergiendo en ella y empezando o acabando allí. Además, la experiencia a confirmado la ley de la conservación de la carga eléctrica: la carga monopólica total eléctrica total de un sistema cerrado no puede crearse ni destruirse. Pero en el mundo del magnetismo, no existe nada similar a los monopolos eléctricos, aunque un monopolo magnético sea facilmente concebible.

    La Teoría electromagnética unifica la fuerza eléctrica y la fuerza magnética. La fuerza eléctrica es generada por la presencia de cargas eléctricas (el electrón, por ejemplo), mientras que la fuerza magnética surge por el movimiento de estas mismas cargas. El campo magnético de un imán proviene del movimiento de los electrones alrededor de los núcleos de hierro.

    James Maxwell unificó matemáticamente los campos magnéticos y eléctrico en 1864, incluía en sus ecuaciones electromagnéticas fundamentales la existencia de cargas eléctricas, pero no incluyó la posibilidad de cargas magnéticas. Le habría resultado fácil hacerlo; la inclusión, a nivel estético, habría hecho sus ecuaciones bellamente simétricas respecto a la electricidad y el magnetismo. Pero al igual que otros físicos, Maxwell no halló prueba alguna de que hubiera en la naturaleza cargas magnéticas y las excluyó, por principio de sus ecuaciones. Los físicos consideran desde entonces extraña la asimetría de la electricidad y el magnetismo.

    Muchas han sido lsas investigaciones y experimentos a partir de Maxwell pero, el monopolo magnético, nunca apareció. El campo de medida electromahnético es el ejemplo primero y más simple de la concepción general de campo de medida que descubrirían mucho después Yang y Mill.

    Curiosamente, al aplicar las ecuciaones de Maxwell al campo simple de medida, los físicos comprobaron que la ausencia de carga magnética se explicaba matemáticamente. El campo de medida introdujo así una asimetría entre el campo electrico y el campo magntético.

    Para no alargar más este apunte breve, recordaré aquí que, en 1931, Dirac empezó a examinar las consecuencias físicas de la “belleza matemática” del campo de medida electromagnético en la teoría cuántica. Según él: “Cuando realice este trabajo, tenía la esperanza de encontrar una explicación de la constante de estructura fina (la constante relacionada con la unidad fundamental de carga eléctrica). Pero no fue así. Las matemáticas llevaban inexorablemte al monopolo.”

    En contra del punto de vista teórico predominante, Dirac descubrió que la existencia de un campo de medida electromagnético y de la teoría cuántica unidas presuponían que en realidad, los monopolos magnéticos podían existir.

    El valor de carga magnética que halló Dirac era tan grande que si en realidad existiesen los monopolos magnéticos en la naturaleza, tendrían que ser fçacilmente detectables, debido a los efectos de sus grandes campos megnéticos. Sin embargo, no ha sido asÍ, y, si en realidad existen los monopolos magnéticos, se muestran en extremo esquivos.

    De todas las maneras, estos experimentos e investigaciones realizados, aunque no sean exactamente sobre los monopolos de Dirac, y estén centrados en materiales magnéticos o “hielos de espín” que nos podrían facilitar los desarrollos de memorias magnéticas y dispositivos espintrónicos, siempre son bien acogidos, ya que, todo lo que sea sumar en el saber, será igual al avanzar de la humanidad que, por otra parte, falta le hace.

  5. Oye, la idea del método, no me queda clara del todo, pero la imagen, habla por si misma. Gracias por compartir la informacioón
    Miguel Alfonso Valdivieso Colmenares

  6. [...] Observados monopolos magnéticos en hielo de espín [...]

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