¿Puede un imán tener un solo polo?
Tornados de electrones que imitan “monopolos magnéticos” emergen de motas de óxido
Los imanes son notoriamente codependientes. Intente separar los extremos norte y sur de un imán y cada mitad obtendrá su propio conjunto de dos polos. Los científicos llevan mucho tiempo buscando un polo norte o sur solitario: una partícula individual que lleve únicamente una carga magnética positiva o negativa. Aunque estos “monopolos magnéticos” siguen siendo difíciles de alcanzar, algunos han comenzado a buscar unos virtuales: grupos de electrones que se comportan como cargas magnéticas individuales.
En lugar de buscar partículas individuales, “estamos usando la tarjeta de creatividad que tenemos en física de la materia condensada … para redefinir nuevos elementos básicos”, afirma Mete Atatüre, físico de la Universidad de Cambridge. En un estudio publicado en Materiales de la naturalezaAtatüre y sus colegas capturaron la primera observación directa de los monopolos magnéticos que surgen naturalmente del comportamiento colectivo de los electrones. Los investigadores esperan que estos objetos algún día puedan permitir un método más eficiente energéticamente para almacenar información informática.
Los electrones de los materiales sólidos se comportan como pequeñas barras magnéticas; la fuerza y orientación de sus campos magnéticos están definidas por una propiedad cuántica llamada espín, que actúa como la aguja de una brújula atómica. Trabajando en conjunto, los espines de muchos electrones vecinos pueden formar patrones particulares que aparecen como regiones aisladas de carga magnética positiva o negativa. Durante los últimos 15 años, los científicos han estado buscando estas características monopolo que emergen en diversos materiales, pero sólo han reunido pruebas indirectas.
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En el nuevo estudio, Atatüre y su equipo emplearon una nueva técnica de detección que mide cómo pequeños campos magnéticos alteran el giro de un solo electrón en la punta fina de un diamante. Pasaron su detector sobre una muestra de hematita del tamaño de una peca, el componente principal del óxido, para mapear la textura de los espines de los electrones en su superficie. Mientras variaban la temperatura de la muestra, se sorprendieron al descubrir que los espines se organizaban espontáneamente en formas de remolinos que actuaban como monopolos magnéticos: cargas únicas positivas o negativas sin compañeros.
“Las mediciones de estos campos magnéticos que entran y salen son notables”, dice Ludovic Jaubert, físico teórico de la Universidad de Burdeos que estudia las características monopolo en otros materiales. “Una vez que puedes ver estas cosas visualmente, es mucho más fácil manipularlas. [them] seguir estudiando”.
Estas características emergentes no resuelven el eterno misterio de si los polos de un imán pueden separarse fundamentalmente, pero aún así pueden resultar valiosas. Los científicos han propuesto que los espines de los electrones que hacen piruetas podrían usarse para codificar y transferir información en computadoras de manera más eficiente que los métodos actuales, que generalmente dependen de cargas eléctricas que requieren más energía para moverse y mantenerse. Por último, detectar estos tornados cuánticos es un paso importante hacia la construcción de una nueva generación de electrónica, afirma Jaubert. “Es realmente bastante hermoso”.