Vistos por primera vez monopolos magnéticos en un laboratorio

El análogo de una partícula largamente buscada después de que comprimir y aislar un polo magnético ha sido observada por físicos en los EE.UU. y Finlandia. ”Los monopolos magnéticos” que fueron predichos por Paul Dirac en 1931, nunca se han visto en la naturaleza. Este último trabajo no prueba si existen o no estas partículas inusuales, sino que muestra que un sistema físico descrito por la matemática subyacente se puede crear en el laboratorio. La investigación también podría ayudar a los científicos a obtener una mejor comprensión de materiales exóticos, como los superconductores, e incluso crear materiales con propiedades nuevas y útiles.

Los polos magnéticos se ven siempre en parejas, no importa lo pequeño que sea el imán. Un imán de barra ordinaria consiste tanto en un norte como en un polo sur; si el imán se corta en dos, cada una de las mitades resultantes también será bipolar. De hecho, no importa cuántas veces se divida el imán, los polos norte y sur se mantienen acoplados – incluso a escalas tan pequeñas como átomos individuales, que a su vez actúan como pequeños imanes. Esto se refleja en las ecuaciones de Maxell, que dicen que existen cargas eléctricas aisladas positivas y negativas, pero que las cargas magnéticas aisladas no.

Esto cambió cuando la mecánica cuántica se formuló en el siglo XX Dirac demostró que la existencia natural de monopolos magnéticos requeriría carga eléctrica  en unidades. Esta discontinuidad se ve en la naturaleza, pero no se entiende completamente, y por lo tanto la búsqueda de monopolos magnéticos es un campo activo de investigación.

Hasta ahora, los físicos han tratado de crear monopolos dentro de los aceleradores de partículas, pero la masa de un monopolo es generalmente considerada demasiado alta para permitir una observación, incluso en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Otra opción era buscar ambientes prístinos, como la Luna o el hielo de la Antártida, en busca de signos de los monopolos que las teorías de gran unificación predicen que deberían haber sido creados cuando el universo se enfrió y su simetría inicial estaba rota. También en este caso, sin embargo, los investigadores han llegado con las manos vacías.

El enfoque de David Hall y sus colegas de la universidad de Amherst en Massachusetts y sus colaboradores en la Universidad de Aalto en Finlandia es producir un análogo de lo que se conoce como un “monopolo de Dirac”, la forma mecánico-cuántico generalizada de un monopolo magnético propuesto por Dirac. Antes de 1931, nadie había sido capaz de combinar la mecánica cuántica y el electromagnetismo clásico para permitir la existencia de monopolos magnéticos, pero Dirac fue capaz de hacer esto teniendo en cuenta lo que sucede cuando un monopolo interactúa con un electrón. Descubrió que cuando un monopolo pasa por una nube de electrones – la distribución en el espacio de un solo electrón descrita por la mecánica cuántica – deja un vórtice en su estela. Esta es una línea de densidad electrónica cero alrededor del cual la densidad gira: “Como agua que se arremolinaba y que se va por el desagüe”, dice Hall.

El grupo de Hall ha reproducido ese vórtice en un condensado Bose-Einstein de átomos de rubidio ultrafrío. El condensado es una sola onda de materia y se encuentra en la nube de electrones en la formulación de Dirac. Para reproducir el monopolo, los investigadores aplicaron un campo magnético real externo al condensado para orientar los átomos constituyentes de tal manera que crearan un campo magnético “sintético” en el interior del condensado. Hay una correspondencia 1:1 entre ese campo sintético y el campo que sería producido por un monopolo magnético, Hall explica. ”Se podría dibujar exactamente las mismas líneas de campo en el campo sintético y el locus del monopolo es donde esas líneas de campo surgirían,”, dice.

Para demostrar que realmente habían producido un monopolo de Dirac, los investigadores hicieron brillar un rayo láser a través del condensado. El haz crea una “sombra gráfica”, en el que la sombra proyectada por los átomos de la muestra fue atravesada por una estrecha franja de luz. Esa franja, concluyeron, era el vórtice creado por el polo norte aislado (siendo el norte y no al sur, simplemente por razones técnicas). “Lo que vemos es notable”, dice Hall, “porque normalmente un vórtice creado dentro de un condensado Bose-Einstein va de un lado del condensado al otro. Pero aquí acaba en la parte mayor. Ese es el sello distintivo del monopolo.”

Peter Holdsworth, físico de materia condensada en la École Normale Supérieure de Lyon, elogia el trabajo como “una aplicación exquisita de nanotecnología,  átomos fríos, computación de alto poder y teoría inteligente”. Señala que el equipo de Estados Unidos y Finlandia no ha probado la existencia de monopolos magnéticos, pero cree que los investigadores han dado una confirmación experimental de las matemáticas de Dirac. “Es un resultado importante y podría conducir a muchos otros resultados análogos. ¿Va a ayudar a los físicos de partículas a encontrar monopolos reales? Probablemente no, pero hay que animarles a seguir buscando.”

Hall es rápido en reconocer los límites de trabajo de su grupo.“Nuestros monopolos no serían registrados por una brújula”, dice. “No hemos sido capaces de reproducir propiedades como la masa de la partícula en nuestro experimento, pero hemos creado un análogo de la parte magnética. Eso podría darnos una idea de los monopolos naturales.”

El físico argumenta que su grupo se ha acercado a la imitación de otros aspirantes a los monopolos magnéticos naturales de tres grupos que informaron de sus resultados en materiales conocidos como hielos de espín en 2009. En ese trabajo anterior, los grupos en forma de tetraedros de iones que componen hielo de espín se observaron bajo ciertas condiciones para adquirir un espín neto, por lo que se asemeja a aislar el polo norte o polo sur. Hall describe estos experimentos como “hermosos”, pero sostiene que la conexión con los monopolos de Dirac era bastante débil ya que el fenómeno en cuestión era puramente clásico, y no de naturaleza cuántica.

Holdsworth, que trabaja en física de espín de hielo, tiene una opinión diferente. Él sostiene que los sistemas de espín hielo proporcionan un fuerte paralelismo con los monopolos naturales porque, “la carga es realmente magnética y realmente hace producir campos magnéticos”.

En lo que se refiere a las aplicaciones, Hall considera que el trabajo de su grupo podría ayudar a los científicos a realizar simulaciones cuánticas de materia. Este campo de rápido crecimiento, explica, tiene como objetivo comprender los materiales existentes y, finalmente, crear otros nuevos, tal vez incluso superconductores a temperatura ambiente. Simulaciones cuánticas usan átomos ultra fríos para representar los electrones – los átomos saltando una red óptica al igual que los electrones se mueven entre los iones. “Se necesita un campo eléctrico o magnético sintético para tratar con átomos como si fueran electrones”, dice Hall. “Los campos sintéticos que estamos creando podrían ser utilizados para esto.”

La investigación se publicó en Nature

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