NeoFronteras

Afirman haber podido detectar por primera vez monopolos magnéticos como un estado de la materia que se daría a partir de una disposición especial de los momentos magnéticos dentro de un cristal a baja temperatura.

Investigadores del Centro Helmholtz de Berlín, en cooperación con colaboradores de Dresden, St. Andrews, La Plata y Oxford dicen haber observado por primera vez un monopolo magnético y cómo éste emerge de un material real. Su resultado se publicó en Science el pasado 3 de septiembre.
Hagamos un repaso del concepto de monopolo magnético con la ayuda de un poquito de Análisis Vectorial que nos permita entender bien este hallazgo que, aunque interesante, no es tan espectacular como pudiera parecer a primera vista. Esta introducción espantará a algunos lectores, pero puede ser interesante para aquellos estudiantes de electromagnetismo que quieran aprender sobre el asunto.
Todos sabemos que hay cargas eléctricas de distinto signo, tanto positivas como negativas. De este modo podemos reunir unas cuantas cargas de un signo dado en un recinto espacial y ver cómo todas las líneas de campo entran o salen del mismo a través de su superficie. Esto viene dado por la ley de Gauss del campo electrostático, que es una de las leyes de Maxwell. En su forma diferencial se escribe de la siguiente forma:

Donde E es el campo eléctrico. Mientras que en su forma integral viene dada por:

O lo que es lo mismo: si sumamos las líneas de campo E que salen y entran en una superficie cerrada nos dará la distribución de carga total encerrada dentro de esa superficie. Para situaciones con geometría esférica este problema es trivial, pues el campo será equivalente al generado por una carga puntual, pero no lo es tanto si es de otro modo. También nos dice que el campo dentro de una esfera hueca cargada es nulo, puesto que cualquier superficie cerrada interior no contiene ninguna carga.
Al igual que hay una ley de Gauss para el campo electrostático hay otra para el campo magnético, que en su forma diferencial es la siguiente:

Donde B es el campo magnético. Mientras que en su forma integral es:

Esta ley nos dice que si consideramos una superficie cerrada saldrán y entrarán el mismo número de líneas de campo magnético de tal modo que su suma siempre será nula. Es decir, el flujo de campo magnético es siempre cero a través de esa superficie. O lo que es lo mismo, esto nos dice que no podemos situar polos magnéticos de un signo dado en una región espacial de tal modo que solo entren (o salgan) líneas de campo y que por tanto dentro haya una cantidad neta de polos norte (o sur).

Si tenemos un imán (un dipolo magnético) da igual cómo dispongamos una superficie cerrada a su alrededor, siempre habrá un flujo neto nulo de campo magnético. Y si partimos el imán por la mitad crearemos dos imanes (dos dipolos) con sus respectivos polos norte y sur cada uno. Así es la Naturaleza, y hasta ahora así se ha mostrado en todos los experimentos realizados.

En los años treinta del pasado siglo Paul Dirac realizó unos cálculos teóricos que indicaban que si existieran los monopolos magnéticos, entonces se podría cuantizar fácilmente la carga del electrón. Bastaría que existiera un sólo monopolo magnético en el Universo para que los electrones tuvieran la carga que tienen y no otra.
Si admitimos la existencia de monopolos entonces hay que modificar las leyes de Maxwell, cambiando la ecuación que hemos visto antes por esta otra:

Esto nos dice que, al igual que en caso electrostático, sí podemos situar «cargas magnéticas» en un sitio de tal modo que la superficie que las encierre sea atravesada por un flujo neto de campo magnético (no nulo).
Una de las posibles maneras de existencia de estos monopolos magnéticos vendría dada por una hipotética partícula elemental pesada que se habría generado durante el Big Bang o en procesos de muy alta energía. Desde hace décadas se han realizado experimentos (Blas Cabrera y otros) en busca de estas hipotéticas partículas en los rayos cósmicos, pero han sido un fracaso hasta ahora. Cosa que es una auténtica pena, pues sería espectacular que estas partículas existieran.

Otra manera en la que se podrían dar los monopolos sería en forma de disposiciones topológicas, de extremos de unos tubos denominados cuerdas de Dirac y que hasta ahora tampoco se habían detectado.

Montaje experimental. Foto: HZB, D.J.P. Morris y A. Tennant.

Precisamente, este grupo de investigadores dispuso un montaje experimental especial para poder detectar estas cuerdas de Dirac. Hicieron que un chorro de neutrones impactara sobre una muestra a la que aplicaban un campo magnético. En el interior de la muestra se formaban cuerdas de Dirac que dispersaban los neutrones con un patrón específico que delataba su presencia.
La muestra era un cristal de titanato de disprosio. La estructura cristalina de este compuesto tiene una geometría notable, de tal modo que los momentos magnéticos de su interior se organizan en lo que se llama un «espagueti de espines». El nombre viene de la ordenación de los dipolos, que forman una red de tubos contorsionados (cuerdas) por los que se transporta flujo magnético.
Estos tubos pueden «hacerse visibles» cuando los neutrones interaccionan con ellos; pues los neutrones, aunque no tienen carga eléctrica, sí tienen momento magnético. El patrón de dispersión de los neutrones obtenido es una representación recíproca de las cuerdas de Dirac contenidas en la muestra.
Con el campo magnético aplicado los investigadores podían controlar la simetría y orientación de las cuerdas. A temperaturas de entre 0,6 a 2 grados Kelvin los investigadores pudieron ver pruebas de la existencia de monopolos magnéticos (la temperatura suele ser la peor enemiga del magnetismo, pues tiene a desordenarlo todo) en forma de este tipo de cuerdas según se acaba de describir.
Además pudieron ver la firma que en la capacidad calorífica dejada el gas de monopolos, viendo que estas cuerdas interaccionan de manera similar a como lo hacen las cargas eléctricas, lo que era de prever para el caso de monopolos magnéticos.

En este resultado los monopolos no son partículas, sino que emergen como un estado de la materia, en concreto a partir de un arreglo especial de los dipolos que forman parte del material.
No es algo tan espectacular como sería detectar una partícula de monopolo magnético en el vacío, pero es interesante por constituir una propiedad fundamental de la materia. Según uno de los autores estas propiedades recientemente descubiertas son, en general, válidas para la misma topología, es decir, para momentos magnéticos que formen el mismo tipo de red cristalina.
Especulan que en principio quizás se podrían desarrollar nuevas tecnologías basadas en este tipo de fenómenos.

Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original (resumen).
Foto de cabecera: espagueti de espines, ilustración: HZB, D.J.P. Morris y A. Tennant.