Observados monopolos magnéticos en hielo de espín

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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
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