Detectan por primera vez monopolos magnéticos en un imán real

En este experimento han participado investigadores argentinos de la Universidad de La Plata

Representacíón de "espagueti de espínes" de cadenas de Dirac. Crédito: HZB / D.J.P. Morris & A. Tennant

Los investigadores del Centro Helmholtz de Berlín (HZB, Helmholtz-Zentrum Berlin), en cooperación con colegas de Dresde, San Andrés, Oxford y La Plata (Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos, CONICET, UNLP, La Plata, Argentina.), han observado por primera vez monopolos magnéticos y cómo ellos surgen en un material real. Los resultado del experimento han sido publicados en Science el 3 de septiembre último.

Los monopolos magnéticos son partículas hipotéticas propuestas por los físicos, que transportan un polo magnético único, ya sea un polo norte magnético o un polo sur. En el mundo material esto es bastante excepcional, porque las partículas magnéticas se observan generalmente como dipolos, norte y sur combinados. Sin embargo, hay varias teorías que predicen la existencia de monopolos. Entre otros, en 1931, el físico Paul Dirac fue conducido por sus cálculos a la conclusión de que los monopolos magnéticos pueden existir al final de los tubos -llamados cuerdas de Dirac- que transportan el campo magnético. Hasta ahora han permanecido sin ser detectados.

Diagrama esquemático del experimento de dispersión de neutrones: los neutrones se disparan hacia la muestra, y cuando un campo magnético es aplicado las cadenas de Dirac se alinean contra el campo con los monopolos magnéticos en sus extremos. La dispersión de neutrones desde las cadenas suministran datos que nos muestran las propiedades de las cuerdas. Crédito: HZB / D.J.P. Morris & A. Tennant

Jonathan Morris, Alan Tennant y sus colegas (HZB) llevaron a cabo un experimento de dispersión de neutrones en el reactor de investigación de Berlín. El material bajo estudio fue un cristal simple de Titanato de Disprosio (Dy₂Ti₂O₇). Este material se cristaliza en una geometría muy notable, llamada pirocloro-lattice. Con la ayuda de la dispersión de neutrones Morris y Tennant muestran que los momentos magnéticos en el interior del material se han reorganizado en lo que se llama "espaguetis de espines". Este nombre proviene de la ordenación de los dipolos mismos, de tal manera que desarrollan una red de tubos retorcidos (cuerdas), a través de la cual se transporta el flujo magnético. Estos se pueden hacer visibles por su interacción con los neutrones que a su vez transportan un momento magnético. Así, la dispersión de neutrones es una representación recíproca de las cuerdas producidas en el experimento.

Durante las mediciones de dispersión de neutrones los investigadores aplicaron un campo magnético al cristal. Con este campo ellos pueden influir en la simetría y en la orientación de las cuerdas. De esta manera es posible reducir la densidad de las redes de cuerdas y contribuir con la disociación de monopolos. Como resultado de ello, a temperaturas de 0,6 a 2 grados Kelvin, las cadenas son visibles y tienen monopolos magnéticos en su extremos.

En la foto están Bastian Klemke y Jonathan Morris en el instrumento E2 del reactor de investigación del HZB en Berlín (Difractómetro de Cristal simple de cono plano). Crédito: HZB / A. Rouvičre

La firma de un gas formada por estos monopolos también ha sido observada en la capacidad calorífica medida por Bastian Klemke (HZB). Esto proporciona una nueva confirmación de la existencia de monopolos y demuestra que interactúan en la misma forma que las cargas eléctricas.

En este trabajo los investigadores, por primera vez, dan fe de que los monopolos existen como estados emergentes de la materia, es decir, que surgen de arreglos especiales de dipolos y son completamente diferentes de los componentes del material. Sin embargo, junto a este conocimiento fundamental, Jonathan Morris explica el significado ulterior de los resultados: Estamos escribiendo acerca de nuevas propiedades fundamentales de la materia. Estas propiedades son válidas en general para los materiales con la misma topología, es decir, para los momentos magnéticos en la red de pirocloro. Para el desarrollo de nuevas tecnologías esto puede tener grandes implicaciones. Por encima de todo significa la fractionalización observada por primera vez en tres dimensiones.

Más información en:
- Magnetic monopoles detected in a real magnet for the first time
- Dirac Strings and Magnetic Monopoles in Spin Ice (Dy₂Ti₂O₇). Revista Science, 3 de septiembre

Más información a traves de tres enlaces del CONICET:
- DESCUBREN FUERZA MAGNETICA DE UN SOLO POLO, SCIENCE
- Habrían visto otro tipo de magnetismo
- Nueva publicación en Science: Monopolos magnéticos