Los Físicos Crean Monopolos Magnéticos Artificiales

Los investigadores descubren los monopolos magnéticos artificiales

Esta ilustración muestra una cuadrícula de estructuras de vórtices magnéticos. Crédito: Copyright TUM.

Al fusionar pequeños remolinos magnéticos, llamados skyrmions, un equipo de científicos pudo crear monopolos magnéticos artificiales.

Un equipo de investigadores de Colonia, Munich y Dresde ha logrado crear monopolos magnéticos artificiales. Para hacer esto, los científicos fusionaron pequeños remolinos magnéticos, los llamados skyrmions. En el punto de fusión, los físicos pudieron crear un monopolo, que tiene características similares a una partícula fundamental postulada por Paul Dirac en 1931. Además de la investigación fundamental, los monopolos también pueden tener potencial de aplicación. Varios grupos de todo el mundo están investigando actualmente la cuestión de si los remolinos magnéticos pueden utilizarse algún día en la producción de componentes informáticos.

Cuando se divide un imán, siempre se crea un nuevo imán con polos norte y sur. Sin embargo, todavía no se ha descubierto un monopolo, es decir, un polo norte sin polo sur o un polo sur sin polo norte. En la edición actual de la revista Science, investigadores de Colonia, Munich y Dresde describen el descubrimiento de un nuevo tipo de monopolo artificial en un sólido, es decir, partículas, que tienen características similares a los monopolos, pero que solo existen dentro de los materiales.

En los últimos años, se han examinado intensamente los materiales en los que se forman los remolinos magnéticos, los llamados skyrmions. Estos remolinos influyen en los movimientos de los electrones exactamente de la misma manera que los campos magnéticos. Por esta razón, los campos magnéticos artificiales se utilizan para describir estos remolinos, así como su influencia en los electrones.

Incluso si estos no son campos magnéticos “reales”, es posible medirlos experimentalmente de la misma manera que los campos magnéticos normales, ya que desvían electrones.

Los investigadores hicieron preguntas sobre las consecuencias de intentar destruir los remolinos magnéticos. Para hacer esto, el grupo que trabaja bajo la dirección del Prof. Eng de la Technischen Universität Dresden observó remolinos magnéticos con un microscopio de fuerza magnética: una pequeña punta magnética toma muestras de la superficie de los imanes y mide la dirección de la magnetización, lo que hace que el ca. Remolino de 50 nanómetros visible. Pudieron observar en la superficie que los remolinos magnéticos aparentemente se fusionan cuando se destruye la fase skyrmion.

¿Qué sucede, sin embargo, dentro de los materiales? Las mediciones tomadas por el grupo que trabaja bajo la dirección del Prof. Pfleiderer en Munich usando dispersión de neutrones sugieren que allí ocurren procesos similares, pero los remolinos individuales no se observaron de esta manera. Por esta razón, Stefan Buhrandt y Christoph Schütte, que trabajaban en el grupo del Prof. Rosch en la Universidad de Colonia, realizaron simulaciones por computadora. Estos mostraron que los remolinos vecinos al proceso de fusión observado en la superficie en el experimento también ocurren dentro de los materiales.

Los investigadores crean monopolos magnéticos artificiales

Esta ilustración muestra la fusión de dos vórtices magnéticos, los llamados skyrmions, en la estructura magnética de un material. El punto en el que los vórtices se fusionan muestra las propiedades de un monopolo magnético emergente. Cuando el monopolo se mueve a lo largo de la dirección de los vórtices, se crea o destruye un skyrmion. Crédito: Imagen de C. Schuette, derechos de autor de la Universidad de Colonia.

La imagen muestra esquemáticamente cómo dos remolinos magnéticos se fusionan en uno.

Debido al hecho de que cada remolino lleva un campo magnético artificial, su creación o destrucción ocurre en el punto de fusión. “Esto significa que un monopolo magnético artificial tiene que asentarse en este punto”, describe el profesor Rosch, “cada vez que dos remolinos magnéticos se fusionan en el experimento, un monopolo magnético artificial ha atravesado la superficie”.

Los monopolos magnéticos se han buscado en vano en el área de la física de partículas durante mucho tiempo. En 1931, Paul Dirac postuló la existencia de una partícula fundamental para explicar por qué los electrones y los protones llevan cargas eléctricas del mismo tamaño. Esto es sorprendente porque los elementos de los protones y electrones son partículas fundamentales completamente diferentes. Dirac, sin embargo, argumentó que la existencia de un único monopolo magnético sería suficiente para explicar que las cargas de todas las partículas fundamentales deben cuantificarse, es decir, exactamente un múltiplo entero de una carga elemental. Los monopolos artificiales recién descubiertos cumplen exactamente este requisito de cuantificación. “Es fascinante que algo tan fundamental como un monopolo magnético se pueda realizar en una pieza de material”, describe Stefan Buhrandt. A pesar de esto, los monopolos artificiales no pueden resolver el problema de Dirac: solo los electrones en estado sólido, pero no los protones, sienten los campos magnéticos artificiales.

Además de su uso para la investigación fundamental, los monopolos artificiales también podrían tener potencial de aplicación. Muchos grupos en todo el mundo están investigando actualmente la cuestión de si los remolinos magnéticos podrían usarse en la producción de componentes de computadora. Si esto fuera posible, también habría que crear y destruir remolinos: los monopolos magnéticos jugarían un papel importante en esto.

Publicación: P. Milde, et al., “Desbobinado de una celosía Skyrmion por monopolos magnéticos”, Science 31 de mayo de 2013: Vol. 340 no. 6136 págs. 1076-1080; DOI: 10.1126 / science.1234657

Imágenes: Copyright TUM; Imagen de C. Schuette, derechos de autor de la Universidad de Colonia.

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