Observados monopolos magnéticos en hielo

Escrito por Entradas de Kanijo http://www.cienciakanija.com/ en http://www.cienciakanija.com/category/fisica/

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).

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 de los equipos 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 el material – Ho₂Ti₂O₇ (un hielo de espín similar). 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.

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.

La investigación se publica en la revista Science Express.