Qué es un monopolo magnético en un hielo de espín

Los monopolos magnéticos en hielos de espines son perfectamente compatibles con las leyes de Maxwell y de la electrodinámica de los medios continuos. No existen los monopolos magnéticos como objetos (partículas) elementales. En física de la materia condensada se observan configuraciones de campos electromagnéticos que se asemejan a los que produciría un monopolo magnético. Una conferencia de Steven Bramwell (uno de los físicos que observaron por primera vez monopolos magnéticos en hielos de espín el año pasado) ha sido la chispa que ha encendido la mecha del artículo de Bee, “Magnetic Monopoles in Spin Ice,” Backreaction, April 17, 2010, que me voy a permitir el lujo de resumir en español.

La aguja de Coulomb. Coulomb, descubridor de la ley que lleva su nombre para el potencial eléctrico de una carga puntual, también pensó y trató de medir el potencial magnético producido por una carga magnética puntual. Para ello trató de  medir el campo magnético alrededor de la punta de una aguja muy fina. Lo que Coulomb descubrió es que las líneas de campo magnético que atraviesan el interior de la aguja y salen por su punta se cancelan exactamente con las que salen por el cuerpo de la aguja hacia el exterior. El resultado de su experimento es que no hay cargas (fuentes) de campo magnético. Ahora bien, cuando un imán (con dos polos) se rompe en dos trozos obtenemos dos imanes más pequeños (ambos con dos polos). Para “crear” en laboratorio un análogo a un monopolo magnético tenemos que crear algo parecido a la aguja cuyo campo magnético quiso medir Coulomb, deformarla y sumergirla en un pajar de tal forma que lo único que se pueda medir del sistema en su conjunto sea el campo magnético en las puntas de la aguja. Este campo se parecerá al de un monopolo magnético.

Hielos de espines. En el hielo las moléculas de agua se comportan como pequeños tetraedros con un átomo de oxígeno en el centro rodeado por 4 átomos de hidrógeno, dos de los cuales están muy cerca (“pertenecen” a la molécula del agua del oxígeno central gracias a enlaces covalentes, color celeste) y los otros dos están más lejos (“pertenecen” a oxígenos vecinos gracias a “puentes de hidrógeno”, color rojo). Los hielos de espines son materiales que presentan una estructura tetraédrica similar a la del hielo. En lugar de los átomos de hidrógeno hay átomos de titanio o de tierras raras, como el holmio, en los vértices de los tetraedros. Estos átomos metálicos tienen momentos magnéticos que en una configuración tetraédrica sólo pueden apuntar hacia adentro o hacia afuera, como las flechas de la figura. 

Monopolos magnéticos en un plano. Visualizar monopolos magnéticos en 3D parece más difícil que hacerlo en 2D, como se muestra en la figura de abajo izquierda. Las flechas son imanes y cada cuadrado debe tener dos flechas en sus vértices apuntando hacia adentro y dos flechas apuntando hacia afuera. En esta configuración un defecto consiste en invertir la dirección de una flecha (figura de abajo centro). Este defecto equivale a la aparición de un imán con dos polos, un polo norte (rojo) con tres flechas apuntando al centro del cuadrado y un polo sur (verde) con tres flechas apuntando hacia afuera. La medida del campo magnético producido por esta configuración muestra que es equivalente al producido por un imán con dos polos. La figura de abajo derecha muestra lo que pasa cuando estiramos el imán cambiando la dirección de la flecha superior derecha del polo sur (verde). Los polos se separan. Aplicando este procedimiento en reiteradas ocasiones podemos separar los polos una distancia suficientemente grande como para que el campo magnético alrededor de uno de dichos polos no se vea afectado por el otro polo y se comporto como un monopolo magnético.

En un hielo de espín real se producen varios defectos simultáneamente que se observarán como múltiples monopolos que estarán conectados entre sí por el equivalente a varias agujas de Coulomb deformadas. De hecho, cada dos monopolos de carga opuesta está conectado por una aguja de Coulomb, como muestra la figura de abajo (donde sólo se han dibujado algunas agujas, el lector puede dibujar muchas más). Esta multiplicidad de conexiones entre los monopolos opuestos es lo que nos permite afirmar que ya no están conectados entre sí los monopolos que inicialmente lo estaban, por lo que podemos considerarlos como monopolos libres que pueden moverse de forma independiente. La aguja queda “oculta” en el pajar y los físicos experimentales pueden medir tranquilamente los defectos como monopolos magnéticos.

2 pensamientos en “Qué es un monopolo magnético en un hielo de espín

  1. es la primera vez que entiendo este efecto… gracias por explicarlo de forma tan sencilla y natural
    un profesor de física

  2. A).- “Los hielos de espines son materiales que presentan una estructura tetraédrica similar a la del hielo. En lugar de los átomos de hidrógeno hay átomos de titanio o de tierras raras”

    B).- “Aplicando este procedimiento en reiteradas ocasiones podemos separar los polos una distancia suficientemente grande como para que el campo magnético alrededor de uno de dichos polos no se vea afectado por el otro polo y se comporto como un monopolo magnético.”

    Lo mismo que fernando gomis digo.

    Enhorabuena Francisco, tienes capacidad pedagogica.

    Y eso que el Electromagnetismo fue mi especialidad en la carrera, y durante casi 20 años, fui profesor de por libre aparte de los años de laboratorio.

    Es mas, hoy me entero de que existen estos cuasi-monopolos, y los he podido comprender a la primera.

    Enhorabuena, y gracias, Paco.

Los comentarios están cerrados.