Monopolos magnéticos en un hielo de espín artificial

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Un hielo de espín artificial está compuesto de nanoimanes (nanoestructuras magnéticas) en interacción mutua fabricadas con técnicas fotolitográficas. Las configuraciones de espín en este sistema muestran una fase de Coulomb con excitaciones localizadas que se comportan como (análogos de) monopolos magnéticos. Gracias a ello se puede estudiar de forma experimental la interacción de un sistemas de monopolos.

El hielo de espín artifical está formado por una red rectangular de nanoimanes que se cruzan. La altura (h) en cada cruce se puede variar, lo que permite controlar el cociente J1/J2 entre la intensidad del acoplamiento entre los nanoimanes en la dirección perpendicular (J1) y en la colineal (J2). Para h = 0 el sistema tiene J1 > J2 y se encuentra en su estado fundamental. Para cierta altura crítica (hc) se tiene J1=J2. Para h>hc se tiene J1 < J2, observándose los monopolos para J1≈0.

El interesante artículo que se publica en Nature es Yann Perrin, Benjamin Canals, Nicolas Rougemaille, “Extensive degeneracy, Coulomb phase and magnetic monopoles in artificial square ice,” Nature 540: 410–413 (15 Dec 2016), doi: 10.1038/nature20155.

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Los vértices en el hielo de espín se clasifican en tipo I, tipo II, tipo III y tipo IV en función. Los tipo I y II se caracterizan por dos espines entrantes y dos espines salientes; tipo I cuando los entrantes están ambos en la misma dirección (horizontal o perpendicular) y tipo II cuando tienen direcciones diferentes. En los tipo III hay tres espines entrantes o salientes y en los tipo IV todos son entrantes o salientes. En las figuras se dibujan en azul los tipo I, en rojo los tipo II y en verde los tipo III.

La figura muestra que para h = 0 nm, el sistema está en su estado fundamental, con casi todos sus vértices tipo I; para h = 60 nm el estado es muy similar. Pero para h = 80 nm, el estado magnético aparece desordenado y se observan vértices de tipo III; en concreto el número de vértices tipo II es del 52%, superando a los vértices tipo I (solo el 39%) y el de tipo III es del 9%.

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Para h = 100 nm aparecen monopolos magnéticos con cargas magnéticas +2 y −2 en el hielo de espín rectangular. En esta figura se representan con las elipses que contienen dos vértices tipo III, las circunferencias blancos que contienen círculos coloreados en azul y rojo.

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Estos (análogos de) monopolos magnéticos se encuentran sobre un estado desordenado, que se comporta como un hielo de espín desmagnetizado. Los monopolos se pueden mover (como a saltos) y pueden interaccionar entre ellos. Gracias a ello se pueden estudiar dichas interacciones en detalle (algo difícil de hacer con otros análogos físicos de los monopolos).

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En resumen, los monopolos magnéticos observados en el hielo de espín rectangular son diferentes a los observados en otros análogos físicos. Su comportamiento está de acuerdo con las simulaciones por ordenador. Su gran ventaja es que permiten estudiar las interacciones entre monopolos magnéticos de forma experimental.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 28 noviembre, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science
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