Monopolos magnéticos nanométricos observados en cristales de hielo de espines

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Cuatro artículos, dos publicados en Science y dos preprint en ArXiv, confirman la observación directa de monopolos magnéticos como cuasipartículas en diferentes cristales de hielo de espines. Estos monopolos magnéticos fueron observados de forma indirecta en 2007 por Castelnovo et al. (publicado en Nature). Morris et al. y Fennell et al. los han logrado observar de forma directa, publicando sendos artículos que aparecerán en Science. Morris et al. han observado directamente mediante neutrones cadenas de monopolos, como cuentas de un collar, que se denominan cuerdas de Dirac (Dirac strings). Fennell et al. han observado mediante neutrones polarizados una fase de Coulomb casi perfecta, sólo explicable por la existencia de monopolos magnéticos. Ambos artículos conforman la evidencia más fuerte de la existencia de monopolos magnéticos en física del estado sólido. Los artículos en ArXiv la ratifican fuera de toda duda.

Nos lo cuenta Geoff Brumfiel, “‘Overwhelming’ evidence for monopoles. Multiple experiments reveal materials with single points of north and south,” Nature, Published online 3 September 2009, haciéndose eco de los artículos técnicos de D. J. P. Morris et al. “Dirac Strings and Magnetic Monopoles in Spin Ice Dy2Ti2O7,” Science Express, Published Online September 3, 2009, y T. Fennell et al. “Magnetic Coulomb Phase in the Spin Ice Ho2Ti2O7,” Science Express, Published Online September 3, 2009. La observación indirecta de estos monopolos magnéticos fue publicada en C. Castelnovo, R. Moessner, S. L. Sondhi, “Magnetic monopoles in spin ice,” Nature 451: 42-45, 3 January 2008. Los artículos en ArXiv son S. T. Bramwell et al. “Magnetic Charge Transport,” ArXiv, Submitted on 6 Jul 2009, y Hiroaki Kadowaki et al. “Observation of Magnetic Monopoles in Spin Ice,” ArXiv, Submitted on 25 Aug 2009, y

Recordemos. Un imán tiene dos polos, norte y sur. Un monopolo sólo tiene un polo, sea norte o sea sur. Los monopolos magnéticos que han sido observados en pequeños cristales enfriados cerca del cero absoluto tienen un tamaño inferior a un nanómetro. Han sido observados monopolos de las dos clases, tanto tipo polo norte y como tipo polo sur. El material utilizado, hielo de espines, es un material cristalino en el que los átomos (pequeños imanes) se colocan en los vértices de tetraedros (igual que en el hielo, agua sólida). Estos pequeños átomos se alinean bajo el efecto de un campo magnético. El centro de los tetraedros se comporta como una cuasipartícula. Los artículos en Science han demostrado que éstas se comportan como monopolos magnéticos. ¿Esto equivale a observar directamente monopolos magnéticos? Sí, ya que desde un punto de vista cuántico una partícula y una cuasipartícula se comportan exactamente igual.

Los monopolos magnéticos han sido buscados durante mucho tiempo. Muchas teorías cuánticas de campos (variantes del Modelo Estándar de partículas elementales) predicen su existencia y su generación durante la Gran Explosión (Big Bang). El nuevo resultado experimental, aunque alejado de estos lares, es una evidencia fuerte de que la Naturaleza no prohibe la existencia de monopolos magnéticos. Un fuerte ímpetu a la búsqueda de los monopolos magnéticos como partículas elementales tanto en rayos cósmicos como en los grandes aceleradores de partículas, como el LHC del CERN.

PS (6 sep. 2009): Muy interesante el artículo de Adrian Cho, “Physicists Create Magnetic Monopoles–Sort Of,” ScienceNOW Daily News, 4 September 2009, sobre todo por los comentarios que ha generado el “sort of” del título. Uno de los comentarios nos recuerda, como se ve en las figuras C, D, y E que abren esta entrada, que en realidad los monopolos descubiertos no están aislados, aparecen a pares: dos monopolos opuestos (norte y sur, o azul y rojo, en puntos “gordos” de la figura), que más tarde pueden ser separados una gran distancia, pero siempre tiene que haber dos monopolos en el material. Un monopolo bien separado de su opuesto puede ser estudiado con detalle “casi” como si estuviera aislado (de ahí la importancia del descubrimiento), pero la necesidad de que solo se puedan generar pares de monopolos opuestos es como la letra pequeña, cuando la lees parece que algo cambia.

PS (11 marzo 2012): Esta noticia de prensa que nace en Science y que es ratificada por Nature, en realidad requiere una aclaración. No se han observado monopolos magnéticos porque la divergencia del campo mangético microscópico es cero en estos sistemas (al contrario que alrededor de una partícula tipo monopolo magnético). La única manera de que fueran monopolos es que los tubos de flujo magnético fueran infinitamente finos (no observables). No los aclara muy bien James L. Pinfold, “The MoEDAL Detector and Its Physics,”  Trento Workshop, 28th February 2010 (repetida en DIFF2012, Feb. 27-Mar. 2, 2012).

7 pensamientos en “Monopolos magnéticos nanométricos observados en cristales de hielo de espines

    • pero si ya lo han hecho, y espera un momento… no, no se está destruyendo el mundo, era la vecina de arriba con tacones.

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