Investigadores del Amherst College and Aalto University han creado y fotografiado monopolos magnéticos sintéticos en condiciones de laboratorio. El desarrollo sienta las bases para definir la estructura subyacente del monopolo magnético natural: su detección sería un acontecimiento revolucionario comparable al descubrimiento del electrón
Los resultados fueron publicados recientemente en la revista Nature.
Aunque predicho hace más de 80 años, la configuración fundamentalmente mecánico-cuántica de los monopolos no ha sido previamente observada en ningún sistema físico. Los resultados presentados demuestran la estructura en un gas atómico ultrafrío.
«La creación de un monopolo magnético sintético debe proporcionarnos una visión sin precedentes de los aspectos del monopolo natural», dice el profesor David S. Hall en el Amherst College, EEUU. «No todos los días se llega a hurgar y codearse con el análogo de una escurridiza partícula fundamental en condiciones muy controladas en el laboratorio», continúa.
Se ha buscado la evidencia de los monopolos magnéticos en fuentes tan diversas como las muestras lunares y las micas antiguas. El multimillonario euroacelerador de partículas LHC del CERN también ha sido utilizado en la búsqueda, pero no se han identificado monopolos magnéticos de forma convincente. El descubrimiento del monopolo sintético proporciona una base más sólida para estos esfuerzos.
«Nuestro logro abre caminos sorprendentes para la investigación cuántica. Se siente increíble haber sido parte de un avance tan importante», dice un encantado Dr. Mikko Möttönen de la Universidad de Aalto, Finlandia. «La síntesis del monopolo es el punto de partida para muchos de los novedosos avances en la investigación de la física cuántica. En el futuro, queremos conseguir incluso una correspondencia más completa con el monopolo magnético natural», continúa.
Un monopolo magnético es una partícula tal como un electrón, excepto que tiene una carga magnética en lugar de eléctrica. Hace unos 80 años Paul A. M. Dirac, uno de los fundadores de la física cuántica, descubrió una estructura de la mecánica cuántica que permite la existencia de monopolos magnéticos. El marco original de Dirac ahora se ha concretado experimentalmente por primera vez.
Video sobre la creación del monopolo: http://youtube.com/watch?v=HSDoIf5FY2s
El monopolo magnético
«Un monopolo magnético es un polo magnético aislado, una carga magnética y una fuente puntual de campo magnético.»
Un electrón es una partícula puntual que transporta la llamada carga eléctrica elemental. Esto significa que un electrón es una fuente aislada de un campo eléctrico. ¿Puede un campo magnético tiene una fuente puntual similar?
Es probable que cada uno de nosotros haya sostenido dos imanes de barra y se dio cuenta de que sus extremos o bien se atraen o se repelen entre sí. A los extremos del imán se los refiere como polos y cada imán tiene un extremo que es un polo norte y otro que es un polo sur. Un polo norte magnético atrae un polo sur magnético, pero repele otro polo norte. En general, los polos opuestos se atraen, y los polos idénticos se repelen. En este sentido, el magnetismo es muy parecido a la electricidad, que presenta el mismo comportamiento de atracción y repulsión implicando cargas eléctricas positivas y negativas.
Cuando se quiebra una barra magnética, se crean dos imanes de barra más pequeños, cada uno con su polo norte y sur. Se puede romper en dos cada uno de estos imanes más pequeños, y así sucesivamente, y cada imán resultante tendrá un polo norte y un polo sur. Incluso a nivel atómico, los polos norte y sur siempre aparecen juntos. No se puede producir de esta manera un polo solitario, o monopolo, que actúa como un único punto de origen de campo magnético.
¿Hay otras maneras de encontrar monopolos magnéticos? Hasta el momento, no se ha observado de manera verificable ni un solo monopolo magnético natural. Esto fue considerado inicialmente como un problema, porque los modelos teóricos que describen el período post-Big Bang predicen que deberían ser bastante comunes. Sin embargo, se ha desarrollado un modelo especial para la expansión del universo que pueden explicar la extrema rareza de estas partículas.
Según algunas teorías, el contenido de energía (masa) de un solo monopolo magnético es tan grande que si fuese utilizada por completo para recargar la batería de un coche eléctrico, este vehículo sería capaz de viajar varios kilómetros con esa energía. Esto explica por qué es no es probable que los monopolos magnéticos se produzcan en un acelerador de partículas. Si la masa de un monopolo magnético en verdad es así de grande, la energía liberada por la colisión de un monopolo cargado negativamente y otro cargado positivamente sería tanto como la energía liberada en la explosión de un kilogramo de dinamita.
Monopolo de Dirac
«Un monopolo de Dirac es una fuente puntual de un posible campo magnético artificial que se forma en el extremo de un torbellino cuántico.»
En la mecánica cuántica, se describe a un electrón como un objeto similar a una onda difusa en lugar de una partícula puntual. Paul Dirac fue el primero en comprender la importancia de estudiar los extremos de los torbellinos mecanico-cuánticos dentro de estas ondas de electrones. Se dio cuenta de que cuando un electrón tiene un vórtice de terminación, inevitablemente se forma un monopolo magnético en el punto final. Un vórtice de terminación es la característica que define el monopolo de Dirac.
Dirac también se dio cuenta de que si el universo contiene un solo monopolo magnético, éste especifica el valor más pequeño posible de una carga eléctrica. Todas las cargas observadas deben ser múltiplos enteros de este valor mínimo, en otras palabras, la carga debe estar cuantificadas. La existencia de un monopolo explicaría, por lo tanto, la observación experimental de que la carga eléctrica está cuantificada.
Los monopolos de Dirac se analizan generalmente en un modelo mecánico cuántico bastante simple. Los monopolos magnéticos ya han sido estudiados en las llamadas teorías del campo unificado, más generales, en las que podrían existir en ausencia de un vórtice de terminación.
Campo magnético sintético
«Un campo magnético sintético es un campo artificial que conduce a una dinámica de las partículas equivalente a la de una carga eléctrica en un campo magnético natural correspondiente.»
Los electrones no son los únicos sistemas físicos que pueden exhibir vórtices de terminación. De modo que un monopolo de Dirac también puede aparecer en otros sistemas, tales como el condensado de Bose-Einstein. En lugar de estar relacionado con el campo magnético natural, este monopolo puede estar asociado con un campo magnético sintético. Es importante destacar que la estructura del monopolo es idéntica a la de un monopolo magnético de Dirac. Es por ello que el monopolo de Dirac observado en el campo magnético sintético es más cercano a un monopolo magnético natural que cualquier observación anterior.
Espín
«En términos generales, el espín indica lo rápido que una partícula está girando alrededor de su propio eje y la orientación de ese eje.»
El espín es una propiedad magnética de muchas partículas, incluidos los electrones, protones, neutrones, e incluso muchos tipos de átomos. Por ejemplo, el espín del electrón se compone de dos estados básicos: arriba o abajo. Esto describe si el electrón está girando alrededor de su eje en sentido horario o antihorario.
Una partícula con un espín distinto de cero crea un campo magnético alrededor de ella. Sin embargo, esto no es un campo monopolo: es un campo llamado dipolo con dos polos magnéticos norte y sur, al igual que un imán de barra. Incluso este pequeño imán de barra no se puede dividir en dos monopolos magnéticos separados.
De hecho, los imanes de barra están compuestos de un número incontable de pequeños dipolos de espín, donde casi todos apuntan en la misma dirección. La superposición de polos de distinto signo anulan el campo de uno con el otro, y por lo tanto el campo de un imán de barra ideal aparece como tuviese polos magnéticos sólo en sus extremos.
Los espines tienden a alinearse a lo largo de un campo magnético aplicado externamente, lo que es la clave para la creación de la monopolo magnético sintético.
Síntesis de un monopolo
«Un monopolo se crea en un condensado de Bose-Einstein mediante el uso de un campo magnético externo para guiar los espines de los átomos que forman el condensado.»
En 2009, investigadores de la Universidad Aalto Ville Pietilla y Mikko Möttönen publicaron los resultados teóricos que demuestra un método para crear monopolos de Dirac en un condensado de Bose-Einstein. La idea implica el uso de campos magnéticos externos para girar los espines atómicos. Un monopolo Dirac se forma en el condensado, como resultado de la rotación del espín. Este método fue adoptado por los investigadores para la creación del monopolo magnético sintético.
El monopolo de Dirac se forma en el campo magnético artificial del condensado, no en el campo magnético físico que guía el grado de libertad del espín. Por lo tanto, no se necesita un monopolo magnético natural para crear el monopolo sintético.
El condensado de Bose-Einstein
«Un condensado de Bose-Einstein se comporta como un único átomo gigante, a pesar de que puede contener millones.»
El condensado de Bose-Einstein es a veces considerado como el quinto estado de la materia, además de sólido, líquido, gas y plasma. En el condensado, la importancia y la ubicación de los átomos individuales se vuelve vago y el sistema se comporta como si se tratara de un solo átomo de gran tamaño. Los primeros condensados de Bose-Einstein se lograron en 1995, y este trabajo recibió el Premio Nobel en 2001.
«Los condensados de Bose-Einstein proporcionan una ventana desde nuestro mundo al país de las maravillas cuánticas. Cuantas más veces me asomo a él, más quiero quedarme allí», dice encantado el Dr. Möttönen. Dado que los condensados de Bose-Einstein contienen muchos átomos, se pueden tomar fotografías de ellos utilizando tecnología que es en parte similar a la utilizada en las cámaras digitales comunes. Además, los condensados pueden ser forzados a la forma deseada por medio de campos magnéticos externos y rayos láser. Estas propiedades hacen que los condensados sean una herramienta única para el desarrollo de nuevos fenómenos y tecnologías cuánticas. Además de ser utilizados con monopolos magnéticos, los condensados pueden simular las propiedades de varios materiales útiles con la exactitud de un solo átomo. Uno de los sueños de los investigadores del condensado implica la búsqueda de una solución para el desarrollo de materiales superconductores que funcionen a temperatura ambiente.
¿Qué es la física cuántica?
«La física cuántica describe los fenómenos naturales con más precisión.»
La física cuántica (también la mecánica cuántica) es una teoría desarrollada durante los últimos 100 años que se ha observado que describe la realidad con más detalle que cualquier otro modelo. Es particularmente útil para explicar los fenómenos a nivel atómico, lo cual es imposible con la física clásica. Por otro lado, la física cuántica reproduce los mismos resultados que la física clásica en la gran escala.
En la mecánica cuántica, un electrón puede adquirir propiedades ondulatorias, a veces aparece como un objeto extenso en lugar de una partícula puntual. Esta propiedad de extensión la comparte con los condensados de Bose-Einstein, lo que permite la observación de los remolinos cuánticos esenciales para detectar el efecto del monopolo magnético.
Las tecnologías cuánticas utilizan las leyes de la física cuántica extraídas de las restricciones clásicas para producir aplicaciones prácticas. Por ejemplo, el desarrollo de una computadora cuántica —un solucionador de problemas potencialmente super-rápido— es uno de los objetivos clave de las tecnologías cuánticas. Un ordenador cuántico sería capaz de encontrar una solución a ciertos problemas muy rápidamente mediante el uso de métodos que son imposibles en el marco lógico de un ordenador normal.
«Las leyes de la física cuántica hacen posible tomar atajos. Entre otras cosas, esta es la base de la velocidad súper rápida de un ordenador cuántico», explica Möttönen.
Dirección futura
En el futuro, los grupos de investigación se centrarán en investigar más a fondo la estructura de un monopolo magnético sintético. También están interesados en la dinámica de los monopolos y sus interacciones con otras partículas sintéticas. Una idea interesante implica tratar de crear un monopolo que no esté unido a un vórtice de la misma manera que el monopolo de Dirac. Este tipo de estructura, posiblemente, podría describir un monopolo magnético natural con aún más detalle.
Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti
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