El físico de OIST estudia monopolos magnéticos en cristales de hielo en rotación y explica por qué se pueden encontrar capas dobles de cargas magnéticas
Hoy en día, uno de los principales objetivos de los físicos es unificar las fuerzas de la naturaleza en una Gran Teoría Unificada que podría representar una representación más elegante y completa del Universo. Un paso hacia esta gran teoría proviene de la búsqueda y la investigación sobre magnetismomonopolos. Un monopolo magnético es un polo norte aislado o un polo sur aislado. Este concepto desafía nuestras expectativas convencionales de que los monopolos magnéticos separados no pueden existir. Incluso si la existencia de monopolos magnéticos como partículas elementales sigue siendo una pregunta abierta fundamental, los físicos de la materia condensada tienenlogró reproducir versiones artificiales de estas partículas exóticas en cristales de óxido de tierras raras llamadas "hielos espínicos". El Dr. Ludovic Jaubert, líder del grupo en la Unidad de Teoría de la Materia Cuántica del Profesor Nic Shannon en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa OISTjunto con el profesor Roderich Moessner del Instituto Max Planck en Dresden dieron una explicación teórica para el obseEvolución de la estructura de doble capa de monopolos magnéticos en hielos espínicosEl artículo fue publicado en el Revisión física de la revista B y fue seleccionado por los editores como uno de los documentos presentados.
En el siglo XIX, James Clerk Maxwell dio el primer gran paso hacia una teoría unificada, al vincular la electricidad y el magnetismo con sus famosas leyes de electromagnetismo. Observó que los campos magnéticos cambiantes crean corrientes eléctricas y las cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos.Sin embargo, aunque las cargas eléctricas pueden ser positivas o negativas, los imanes siempre contienen un polo norte y un polo sur. Por ejemplo, si rompe un imán, terminará con dos imanes, los cuales siempre tendrán un norte y un surpolo, nunca con un monopolo norte o sur aislado. Eso fue cierto hasta que los físicos descubrieron que los electrones en los hielos giratorios se comportan colectivamente como monopolos magnéticos a temperaturas cercanas al cero absoluto 0 Kelvin, -273 ºC. Este hallazgo se considera uno de los mejoresdescubrimientos de los últimos 10 años.
El hielo en rotación es una clase de materiales con átomos dispuestos en pirámides de cuatro lados llamadas tetraedros. Estos tetraedros se organizan en estructuras de cristal llamadas piroclores. Cada uno de los 4 átomos en el vértice de la pirámide tetraédrica lleva un pequeño imán interno también llamado giro,que generalmente se representa con una flecha que apunta hacia el norte. Las flechas en la figura muestran los polos norte y sur en hielo giratorio.
Se genera un monopolo magnético cuando una perturbación hace que un giro cambie su orientación. Debido a que cada giro de un tetraedro también se comparte con un tetraedro vecino, la creación de monopolos magnéticos se extiende alrededor del cristal como una ola de fanáticos en un estadio,formando monopolos de "carga magnética" opuesta
Estos monopolos magnéticos no son partículas reales, como electrones y protones, pero se conocen como cuasi partículas, porque surgen del comportamiento colectivo de los átomos y electrones circundantes e interactúan efectivamente entre sí.
Jaubert y Moessner calcularon cómo los espines interactúan entre sí y con el campo magnético utilizando simulaciones de Monte Carlo y cálculos analíticos. Pudieron calcular que el hielo en espín puede lograr una configuración de doble capa, formada por la alternancia de 2 capas de tetraedros con magnético positivocargas y 2 capas de tetraedros con cargas magnéticas negativas. Normalmente, esto sería muy inestable, de la misma manera que el polo norte de un imán repele el polo norte de otro imán cuando desea colocarlos uno al lado del otro. Jaubert y Moessnerdescubrió que la configuración de doble capa se puede estabilizar gracias a la polarización eléctrica. Jaubert explica: "Cuando estaba buscando ver si ya se había descrito un fenómeno similar, me alegró ver que otros grupos de investigación de todo el mundo obtuvieron el mismoresultados experimentales utilizando hielo en espiral hecho de terbio en presencia de un fuerte campo magnético a temperaturas cercanas al cero absoluto.para explicar teóricamente, lo que se consideró un misterio experimental ". Cada monopolo magnético viene con un dipolo eléctrico, pero para la mayoría de los materiales la polarización eléctrica es tan pequeña que no se puede ver.Jaubert y Moessner descubrieron que en los cristales de hielo giratorio de titanato de terbio Tb2Ti2O7 la polarización eléctrica puede ser lo suficientemente grande como para verse y estabilizar la doble capa de monopolos magnéticos.
"Creo que el hielo giratorio es el trampolín para buscar resultados más exóticos en otros materiales", concluye Jaubert. En el futuro, le gustaría estudiar cristales hechos de otros átomos, donde podrían surgir leyes más allá del electromagnetismo.
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Materiales proporcionado por Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa - OIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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