Gran avance en la manipulación individual de análogos de monopolos magnéticos

Dibujo20140130 experimental and simulated condensate particle densities with a monopole near the center of de condensate - nature12954-f3

Análogos a los monopolos magnéticos han sido observados en hielos de espines, condensados de Bose-Einstein y otros medios. Sin embargo, aún es difícil manipular una a una estas cuasipartículas que se comportan como monopolos magnéticos en el campo electromagnético efectivo. Se publica hoy en Nature un avance prometedor en esta línea, la observación de monopolos magnéticos individuales en un medio, un estado condensado de Bose-Einstein de átomos de rubidio-87. Poder observar y manipular estos monopolos magnéticos de forma individual posibilitará múltiples aplicaciones tecnológicas. El artículo técnico es M. W. Ray et al., «Observation of Dirac monopoles in a synthetic magnetic field,» Nature 505: 657–660, 30 Jan 2014. Recomiendo leer a Lindsay J. LeBlanc, «Atomic physics: Polar exploration,» Nature 505: 627–628, 30 Jan 2014.

Dibujo20140128 magnetic monopole vs magnetic bar - nature

No existe ninguna ley en la Naturaleza que prohíba la existencia de monopolos magnéticos, partículas teóricas que transportan una unidad de carga magnética (que puede ser un polo norte o un polo sur de un imán). Sin embargo, no han sido observados en los experimentos (aunque ha habido varias falsas alarmas). Todos los imanes tienen dos polos (uno norte y otro sur) y se rompe un imán por la mitad se obtienen dos nuevos imanes. Un monopolo magnético sería una fuente radial de líneas de campo magnético (como muestra esta figura). Si existen partículas fundamentales que se comportan como monopolos magnéticos, una predicción del modelo estándar de la partículas elementales aún no verificada, deben tener una masa enorme (en la escala GUT) y nunca serán observados en los colisionadores de partículas. Mientras tanto se pueden desarrollar análogos a los monopolos magnéticos en laboratorio utilizando medios que producen un campo electromagnético efectivo.

Paul Dirac en 1931 demostró que la existencia de monopolos magnéticos permite explicar por qué la carga eléctrica es múltiplo de la carga del electrón (o mejor dicho, de la del quark abajo o down). Sin embargo, la teoría de Dirac no daba ninguna relación entre la masa de los monopolos magnéticos y la del electrón, pudiendo ser la primera arbitraria; gracias a ello se explica muy fácilmente por qué, si existen los monopolos magnéticos, aún no han sido observados (deben ser muy masivos).

El nuevo artículo en Nature ha obervado los monopolos magnéticos en un gas de átomos de rubidio-87 ultrafríos, tanto que se encuentran en un estado condensado de Bose-Einstein. Manipulando este sistema se puede conseguir que se comporte como un medio de cuasipartículas de espín 1 que produzcan un campo magnético sintético. Cuando se logra que el espín 1 efectivo de estas cuasipartículas varía espacialmente (como las líneas de corriente de un fluido) aparecen singularidades en el campo magnético efectivo (como remolinos en el fluido) que se comportan como monopolos magnéticos de Dirac.

La gran ventaja del nuevo esquema es que permite la observación individual uno a uno de los monopolos magnéticos, así como simular la interacción entre dos monopolos magnéticos. ¿Para qué pueden servir? Para manipular a nivel cuántico campos magnéticos (efectivos) de gran intensidad, que quizás permitan algún día el equivalente a un láser de (análogos a) monopolos magnéticos. Aplicaciones para un futuro que podría no ser tan lejano.



17 Comentarios

  1. Una puntualizacion, los analogos a los monopolos magneticos han sido observados en «hielos de espin» (spin ice), no en vidrios (spin glass). En los hielos hay una red ordenada de espines frustrados, produciendose el monopoly en la excitacion de uno de los espines. En los vidrios de espin los espines estan en posiciones aleatorias (como los atomos en un amorfo), y las excitaciones no producen nada como los monopolos

  2. Francis, excelente articulo, en el formulario de contacto de naukas propuse un tema, que es de mi interes, no se si lo habras leido.. Sino donde te los puedo mandar,,

    1. Matías preguntó: «Con un compañero de trabajo llenamos tubos de oxigeno, desde uno mas grande a uno mas chico, y vemos que el tubo mas chico se calienta. Mi compañero dice que es solo porque absorbe calor del ambiente, a traves del caño de bronce que los une y yo pienso, que tiene que ver con la ecuacion de los gases, PxV=nRT. Supongo que al aumentar P en el tubo chico, y V es cte, n y T aumentan. Mi hipotesis es que si idealmente se puede demostrar que se calienta, tambien se calentara con la ley real. Pero su argumento es que no se puede tomar al tubo chico como aislado, sino se debe tomar todo el sistema tubo grande-tubo chico, y no llegamos a una demostracion convincente. Podria explicar, matematicamente y fisicamente que es lo que ocurre?»

      Esto es un ejercicio trivial de aplicación de la ley de los gases. Piensa en el tubo pequeño antes y después de rellenarlo. Su volumen no cambia. Antes está a temperatura ambiente (Ta) y a presión ambiente (Pa). Lo puedes rellenar con oxígeno porque el tubo grande está a una presión mucho mayor que la ambiental. Por tanto, después del rellenado la presión en el tubo pequeño es P>>Pa, siendo su volumen constante, luego su temperatura es T>>Ta.

      1. Supuestamente el tubo grande se enfría proporcionalmente al calentamiento del tubo chico, lo cual Matías no dice, porque quizá no lo notó (debido a su mayor tamaño, su cambio de temperatura es menor y es más difícil de apreciar).

  3. Cuando hablo de magnetismo a los chavales siempre cojo una espira de cobre y le fijo un sentido de corriente. Luego invito a los chavales a moverse alrededor de ella, para que se den cuenta de que el sentido de giro depende de la posición desde la que estés mirando la espira. Polo Norte y polo Sur son inseparables porque están originados por un único elemento de corriente, es sólo una cuestión de perspectiva les digo.
    Si es que existen esos monopolos, ¿admiten alguna explicación sencilla? ¿Ha dejado de ser válida la explicación anterior?

    1. Hola, Santi

      En términos simples podríamos decir que son otro «aspecto» del magnetismo, uno más fundamental, donde los «polos» se presentan como «cargas» separadas.

      Así como hay partículas con carga eléctrica positiva o negativa, habría otro tipo de partículas (los monopolos) con carga magnética norte o sur. Y debería haber tantas partículas monopolo norte como partículas monopolo sur.

      El magnetismo dipolar en imanes y electroimanes no surge de las partículas monopolo. Pero estas partículas permiten explicar la cuantización de la carga eléctrica.

      Por tanto, si se confirma su existencia, habría que modificar ligeramente las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo, aunque en esencia la validez de las ecuaciones permanecería inalterada.

      Si quieres saber más, busca «monopolo magnético» en Wikipedia. Pero si sabes inglés, busca «magnetic monopole» en Wikipedia ENGLISH (los artículos en inglés suelen ser MUCHO más extensos y jugosos que en español).

      1. Muy interesante. ¿Heim fue otro «adelantado olvidado» como Roger Boscovich? Si Heim hubiera publicado en inglés se lo conocería más. O tal vez no, quizá su trabajo habría sido rebatido mucho antes. No sé, me parece demasiado bueno para ser cierto.

        En Wikipedia en inglés hay mucha más info sobre Heim (pero toma en cuenta las advertencias de la página) que la versión en español.

        Especialmente revelador puede ser el final de la página en inglés: experimentos del CERN han mostrado (no se aclara si contundentemente) la no existencia de los tipos de neutrino predichos por la teoría de Heim. La cosa no pinta bien.

        Saludos.

  4. Internet es maravillosa.

    Buscas «condensado de Bose-Einstein» y salta que sólo es aplicable a BOSONES.

    Buscas «bosones» y salta que son todas aquellas partículas, elementales o compuestas, cuyo espín total es par (0, 2, 4, …).

    Buscas «rubidio-87» y salta que su espín es 3/2 (!!!???).

    Buscas «espín de un átomo» (agoté todas las combinaciones de criterios de búsqueda) y salta cualquier cosa EXCEPTO la más ligera pista que permita interpretar ese 3/2 del rubidio-87.

    Para rematarla, aquí se lee: «Manipulando este sistema se puede conseguir que se comporte como un medio de cuasipartículas de espín 1″… o sea ¿FERMIONES? ¿Qué pasa pues con el condensado de Bose-Einstein?

    Conste que esto NO es una crítica (además, ¿a quién habría que criticar?). Sobra decir que el tema me supera ampliamente. Por eso mismo, estoy intentando aprender. ¡Pero qué difícil es aprender a los puñetazos! 🙂

    Saludos.

    1. “bosones son todas aquellas partículas cuyo espín total es par»
      Eso no es correcto.
      Los bosones tienen espín entero, par o impar (0, 1, 2…)
      Los fermiones lo tienen semientero (1/2, 3/2, 5/2…)

        1. ¡¡¡Modificaron la página!!! Ahora se parece más a su versión en inglés. Y por supuesto, quitaron la sección «¿Fermi o Bose?».

          Qué pena no haberle tomado una screenshot a esa página. El responsable ya cubrió sus huellas.

          Ahí se leía, literalmente, que si el espín total de una partícula es par (0, 2, 4, …) entonces la partícula es un bosón, y si es impar (1, 3, 5, …) entonces la partícula es un fermión.

          Enhorabuena por la corrección, oh tú el corrector más rápido del Far West, aunque no sea más que una corrección por OMISIÓN. No quisiera ver lo que hay bajo las alfombras de tu casa.

          ¡Abran paso, que la mula de Francis cocea fuerte y pega justo AHÍ!

          Internet ES maravillosa.

  5. Lo que a mí no me queda claro es si en un volumen que encierre uno de esos «análogos a monopolos» podemos aplicar las ecuaciones de Maxwell de toda la vida o no. La segunda de ellas viene a decir que el flujo total del campo magnético que atraviesa cualquier superficie cerrada es cero (o que «las líneas de campo que entran son igual que las que salen»). Esto no se cumpliría si dentro hay un monopolo. En estos «análogos a monopolos», ¿se cumple esto, o no se cumple?.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 30 enero, 2014
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science
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