Captan con una cámara el traslado de monopolos magnéticos, haciendo visible su movimiento - principal


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Durante décadas, los investigadores han estado buscando los monopolos magnéticos, cargas magnéticas aisladas que pueden moverse libremente en la misma forma que las cargas eléctricas, hoy han podido observar este movimiento

Los polos magnéticos normalmente sólo se encuentran en pares. Ahora, un equipo de investigadores del Instituto Paul Scherrer (PSI) en Suiza y la Universidad College de Dublín ha conseguido crear monopolos en forma de cuasi-partículas en un conjunto de imanes a nanoescala y pudieron observar cómo se mueven usando un microscopio en el Swiss Light Source (SLS) para hacer visibles las estructuras magnéticas.

Al igual que con los monopolos elementales, que predijo por primera vez el físico británico Paul Dirac en 1931, cada monopolo está conectado por una “cuerda” a un monopolo de carga opuesta. Los dos monopolos, sin embargo, se pueden mover independientemente uno del otro. Estos resultados no sólo son de interés científico, sino que también podrían servir de base para el desarrollo de futuros dispositivos electrónicos. Los resultados se publican en línea en la revista Nature Physics (17 de octubre de 2010).

Los polos magnéticos siempre aparecen en pares. Se se divide en dos partes un imán de barra con un polo norte y uno sur, no se tendrá como resultado dos polos individuales, sino dos imanes, cada uno con un norte y un polo sur. Esto es similar a lo que sucedería si se quiebra un palo a la mitad, no se obtienen dos extremos separados, sino dos palos con dos extremos. Sin embargo, Dirac predijo en la década de 1930 que los pares de monopolos se pueden separar, siempre y cuando se mantenga una conexión entre ellos que transporta el flujo magnético, la llamada “cuerda de Dirac“. El año pasado, un equipo de investigadores pudo crear, por primera vez, estos monopolos magnéticos en un material. Sin embargo, en su caso las correspondientes cuerdas de Dirac sólo se podían observar indirectamente con la ayuda de la dispersión de los neutrones y a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Nanoimanes generan monopolos

Ahora investigadores del Instituto Paul Scherrer y la University College Dublin han logrado observar los monopolos magnéticos y sus correspondientes cuerdas de Dirac directamente a temperatura ambiente. Para hacer esto, los investigadores reunieron un conjunto bidimensional de pequeños imanes, de sólo 500 nanómetros (un nanómetro = una millonésima de milímetro) de largo y de 150 nanómetros de ancho. De esta manera, pudieron crear un material magnético artificial en dos dimensiones, cuyas partes componentes más pequeñas eran los nanoimanes. En su experimento, los imanes se distribuyeron en un diseño hexagonal, de modo que el extremo de cada imán se contactaba con los extremos de otros dos imanes. Debido a la similitud con la disposición de los átomos en el hielo normal, esta estructura se conoce como hielo de espín artificial.

“Para nuestro experimento preparamos nanoimanes de tal modo que los puntos de encuentro de dos polos norte y un polo sur se alternaban con puntos donde se encontraban dos polos sur y un polo norte”, explica Laura Heyderman, quien dirigió el proyecto de parte de PSI. “Con la ayuda de un campo magnético externo, se puede invertir la magnetización de uno de los imanes, de modo que en los extremos del imán aparecen dos defectos en el orden original. Estos defectos se comportan como monopolos magnéticos”, explica Heyderman.

“Si el campo magnético externo se hace más fuerte, la magnetización en los imanes vecinos también se invierte. Esta inversión de la magnetización continúa como una hilera de fichas de dominó que se derriban entre sí, por lo que los dos monopolos del par se distancian uno del otro; uno hacia la derecha, y el otro a la izquierda”, explica Elena Mengotti, estudiante de doctorado en el PSI que trabaja sobre hielo de espín artificial y realizó la mayor parte de los experimentos. “Durante este proceso, los dos monopolos están conectados siempre por una línea unidimensional de imanes, donde el polo norte de cada imán está al lado del polo sur de su vecino, y así forman la cuerda o cadena de Dirac. Cuando se apaga el campo externo, los monopolos se qudan en el lugar que están. Se podría decir que están “congelados” en el hielo de espín.”

La luz de sincrotrón muestra el magnetismo

En una estación de medición para investigaciones de magnetismo de la Swiss Light Source (Fuente Suiza de Luz, o SLS), del Paul Scherrer Institute, los investigadores pudieron observar cómo cambiaba la dirección del magnetismo de los nanoimanes individuales y así se hacía visible cómo se movían los monopolos. Allí es posible mostrar la magnetización de los imanes directamente, y así hacer visible por primera vez el movimiento de los monopolos y, con esto, el crecimiento de las cuerdas de Dirac. These experiments could be performed at room temperature. Estos experimentos se pueden realizar a temperatura ambiente.

La teoría tras del experimento

La inversión de la magnetización en cadena a lo largo de una cadena unidimensional de Dirac que se puede observar aquí es un fenómeno magnético nuevo, y es muy diferente a los procesos en otros materiales magnéticos, como los utilizados en la actualidad en los discos duros magnéticos. El comportamiento observado se pudo explicar por los estudios teóricos del equipo del University College de Dublín. “Nuestros resultados no son sólo un gran avance en términos de la observación directa de los monopolos y cuerdas de Dirac en hielo de espín artificial, sino que también han demostrado por primera vez cómo se puede manipular su movimiento”, explica Hans-Benjamin Braun, responsable del proyecto en el University College de Dublín.

“Componentes digitales que utilicen corriente magnética”

“El conocimiento que hemos adquirido también podría ser importante en la arquitectura de nuevos dispositivos de almacenamiento magnético. De hecho, es probable que la próxima generación de medios de almacenamiento de datos se componga de macroespines aislados, como nuestros nanoimanes”, dice Braun. Laura Heyderman añade: “Como próximo paso, nos gustaría encontrar una manera de manipular con precisión los monopolos en dimensiones aún más pequeñas, para poder utilizarlos para operaciones de almacenamiento o de lógica. La idea es desarrollar componentes digitales que utilicen corrientes de monopolos magnéticos en lugar de corrientes eléctricas”.

El equipo

Elena Mengotti es estudiante de doctorado en el Instituto Paul Scherrer. Ella es respaldada por la Swiss National Science Foundation y realiza el trabajo experimental en el marco de este proyecto.

Frithjof Nolting y Arantxa Rodríguez Fraile, del PSI, son expertos en espectroscopia magnética y microscopía. Ellos dirigieron el trabajo experimental en la Swiss Light Source SLS.

Hans-Benjamin Braun (jefe del grupo) y Remo Hügli (asistente de investigación postdoctoral) de la University College de Dublín han desarrollado la teoría que respalda los experimentos y realizaron la simulación numérica del sistema. Su investigación es apoyada por la Fundación Científica de Irlanda.

Laura Heyderman (líder del grupo “Nanoestructuras magnéticas” en el Instituto Paul Scherrer) y Hans-Benjamin Braun dirigen este trabajo de investigación conjunta.

Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti

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