Aparecen monopolos magnéticos en la hematita

Reeditado por Platón

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Ilustración artística de monopolos magnéticos en hematita, que muestra líneas de campo rosadas que emergen de una red de partículas. — Una ilustración de monopolos magnéticos en hematita. (Cortesía: Ella Maru Studio)

Físicos de las universidades de Oxford y Cambridge en el Reino Unido han detectado firmas de monopolos magnéticos y otras estructuras magnéticas inusuales en la hematita, un material de óxido de hierro antiferromagnético natural. Las estructuras, que los investigadores descubrieron mediante mediciones de detección cuántica, podrían formar la base de dispositivos novedosos como memorias de carreras y computación neuromórfica súper rápida y energéticamente eficiente.

Una barra magnética ordinaria consta de un polo norte y un polo sur. Córtelo en dos y cada una de las mitades resultantes, por pequeña que sea, también tendrá dos polos. De hecho, la naturaleza bipolar del magnetismo es tan fundamental que surge en las ecuaciones de Maxwell, que implican que aunque existen cargas eléctricas positivas y negativas aisladas, no pueden existir cargas magnéticas aisladas.

Durante la revolución cuántica de las décadas de 1920 y 1930, algunos físicos comenzaron a especular que este principio del electromagnetismo clásico podría necesitar una revisión. En 1931, Paul Dirac fue el primero en predecir que podrían existir monopolos magnéticos (partículas elementales que actúan como polos norte y sur magnéticos aislados y que son análogos magnéticos de las cargas eléctricas). Aunque los monopolos magnéticos del tipo que Dirac imaginó nunca se han visto como partículas libres, desde entonces se ha descubierto que materiales exóticos conocidos como hielos de espín albergan estados colectivos que los imitan.

Patrones giratorios de cargas magnéticas.

Un equipo de investigadores liderado por Mete Atature, la cabeza de Laboratorio Cavendish de Cambridge, ha observado ahora un tipo "emergente" similar de monopolo magnético en la hematita. Estos monopolos son estados colectivos de muchos espines giratorios (momentos angulares inherentes a los electrones) que, juntos, actúan como una partícula estable localizada de la que emana un campo magnético. "Estos 'remolinos antiferromagnéticos' (llamados merones, antimerones y bimerones) en la hematita están asociados con 'monopolos magnéticos emergentes'", explica el colíder del equipo. paolo radaelli, físico de Oxford. "Estos remolinos revelan su ubicación y podemos estudiar su comportamiento con magnetometría cuántica de diamantes y otras técnicas de escaneo".

En la magnetometría cuántica de diamantes, se utiliza un solo giro en una pequeña aguja hecha de diamante para medir de forma precisa y no invasiva el campo magnético en la superficie de un material. "La magnetometría cuántica puede detectar campos magnéticos muy pequeños", explica Atatüre. "Por lo tanto, es ideal para mapear el orden magnético en antiferromagnetos, una clase especial de materiales magnéticos en los que la magnetización local casi se cancela".

Un nuevo enfoque vale la pena

Los investigadores, que informan sobre su trabajo en Nature Materials, detectó varias estructuras magnéticas inusuales en hematita utilizando esta técnica, incluidos monopolos, dipolos y cuadrupolos bidimensionales. Esta es la primera vez que se observa un monopolo bidimensional en un imán natural, afirman. Radaelli añade que el equipo no esperaba ver mucho porque las texturas de espín antiferromagnético se consideraban difíciles de alcanzar y sólo observable utilizando técnicas complejas de rayos X.

"Enviamos nuestras muestras a Mete y sus colegas en Cambridge sin saber exactamente qué esperar", dice. “Recuerdo haber discutido esto y pensar que no veríamos nada. Cuando las imágenes de Cambridge comenzaron a llegar, debatimos diferentes interpretaciones hasta que las simulaciones cuantitativas revelaron el origen microscópico de la señal”.

Fue sólo en este punto que el equipo entendió la naturaleza monopolar de la estructura magnética observada e hizo la conexión con ejemplos de monopolos en la literatura científica, dice. Mundo de la física.

Lectura y clasificación.

En cuanto a las solicitudes, miembro del equipo. Hariom Jani, becario postdoctoral en Oxford y primer autor del estudio, sugiere que los monopolos recientemente observados podrían servir como indicadores de otros efectos inusuales. "La interconexión entre las cargas magnéticas, que son las fuentes/sumideros de campos diminutos, y el sentido sinuoso de los remolinos antiferromagnéticos es bastante útil porque abre un camino fácil para leer y clasificar estados antiferromagnéticos exóticos", dice.

Monopolos magnéticos encontrados al acecho en cristales quirales topológicos

Su colega de Cambridge, estudiante de doctorado Anthony Tan, está de acuerdo. "Nuestro trabajo destaca el potencial de la magnetometría cuántica de diamantes para descubrir e investigar fenómenos magnéticos ocultos en materiales cuánticos, lo que podría ayudar a ser pioneros en nuevos campos de estudio en esta área", afirma.

El objetivo final del equipo, afirma Radaelli, es construir dispositivos del mundo real para la informática de próxima generación que hagan uso de estos remolinos antiferromagnéticos. “Estamos trabajando en paralelo en dos conceptos separados: uno basado en emular neuronas biológicas; y el otro en las llamadas pistas de carreras, es decir, 'autopistas' nanoscópicas para los remolinos”, afirma. Para construir tales dispositivos será necesario fabricar contactos eléctricos, conductores y transductores a nanoescala, añade: "Anticipamos que las técnicas de escaneo con múltiples sondas, como la magnetometría cuántica de diamantes, nos permitirán acelerar este trabajo".