Monopolos magnéticos y cuerdas de Dirac en un material

Manuel Carlevaro, Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (CONICET - UNLP) y Universidad Tecnológica Nacional.

Cualquiera que ha jugado con un imán sabe que tiene dos polos, norte y sur, y que no importa en cuantos pedazos lo rompa, cada uno de ellos también tendrá un polo norte y uno sur. Todos los imanes que conocemos –todas las formas de magnetismo que conocemos- están basadas en dipolos magnéticos, es decir, en componentes elementales que tienen los dos polos. Sin embargo, sabemos que para el caso de la electricidad hay cargas positivas y negativas (protones y electrones por ejemplo) que podemos encontrar en forma completamente separada.

Esta asimetría –la aparente inexistencia de cargas magnéticas separadas, “norte” o “sur” (mono-polos en lugar de di-polos)- ha sido un interrogante para la física moderna. Varias teorías predicen partículas elementales con carga magnética única, los monopolos magnéticos. En 1931, el físico Paul Dirac llego a la conclusión de que los monopolos magnéticos elementales deben existir, y los describió asociados a una líneas solenoidales, las cuerdas de Dirac, que llevan flujo magnético. Estas cuerdas se extienden al infinito, o conectan dos monopolos de carga opuesta.

En forma más reciente, en un trabajo teórico liderado por Roderich Moessner, de Dresden (Alemania), se propuso la aparición de monopolos como excitaciones colectivas en una clase de sistemas magnéticos frustrados, los llamados hielos de spin. Estos monopolos “emergentes” difieren de los elementales de Dirac en que no tienen existencia fuera del material magnético, en que sus cargas son menores que las de Dirac y en que sus cuerdas asociadas son observables. Hasta ahora no existía ninguna evidencia experimental reproducible de la existencia de monopolos, ni en forma elemental, ni como partículas emergentes.

El experimento liderado por Tennant y Grigera se basa en el estudio por distintas técnicas de un material, el titanato de disprosio, que a temperaturas por debajo de 1 K (aproximadamente -272 °C) se comporta como un hielo de spin. Usando la técnica de difracción de neutrones, se determinó que los momentos magnéticos dipolares de este material se reorganizan formando una especie de spaghetti magnético (ver figura). El nombre viene de la manera en la que los dipolos se ordenan formando tubos contorsionados por las que se transporta flujo magnético (las cuerdas de Dirac).

Los neutrones tienen momento magnético, y por lo tanto sufren la influencia de campos magnéticos externos. Si un haz de neutrones atraviesa un material magnético, los neutrones sufren distintas deflexiones dependiendo de los campos magnéticos que encuentran en su camino. De las características del haz resultante, y mirando varios haces apuntados en distintas direcciones, se puede reconstruir la distribución de campo magnético dentro del material (ver figura). De esta manera, analizando en pantallas detectoras los neutrones inyectados a través de titanato de disprosio a temperaturas debajo de 1 K, este grupo encontró evidencia de la existencia de las cuerdas de campo magnético. La aplicación de un campo magnético externo permitió “peinar” estas cuerdas, estirándolas en una dirección. De esta manera es posible reducir su densidad y promover la disociación de los monopolos que existen en sus puntas. Como resultado, fue posible observar monopolos magnéticos unidos por cuerdas de flujo.

Otras características de este gas de monopolos fueron observadas con medidas de magnetización y calor específico. Estas proveyeron confirmación de la existencia de los monopolos y mostraron que interactúan en una manera similar a las cargas eléctricas (un equivalente a la ley de Coulomb). Hay aspectos del problema que van más allá de la ciencia básica. Como explica Jonathan Morris, uno de los miembros del grupo de Berlin, y primer autor en el trabajo: "Estamos escribiendo sobre propiedades nuevas y fundamentales de la materia. Estas propiedades son válidas en general para materiales de la misma topología, es decir, para momentos magnéticos en una red de pirocloro. Esto puede tener implicancias importantes en el desarrollo de tecnologías magnéticas. Sobre todo, para nosotros, significa que por primera vez hemos observado fraccionalización en tres dimensiones".

Trabajo original: Science.

Contacto: S. A. Grigera, [email protected] Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos, La Plata, +54 (0)221 4233283.