Crean y fotografían un polo norte aislado, un monopolo, en un campo magnético simulado

Los físicos han creado y fotografiado un polo norte aislado – un monopolo – en un campo magnético simulado, dando vida a un experimento mental que fue el primero en predecir la existencia de monopolos magnéticos reales hace más de 80 años.

En la naturaleza,  polos magnéticos norte y sur siempre van de la mano.

Cortar una barra magnética solo crea dos imanes, uno de los cuales aún tiene dos polos, en lugar de la creación de polos norte y sur separados.

Sin embargo, sus primos electrostáticos, las cargas positivas y negativas, existen independientemente. En 1931, el físico británico Paul Dirac teorizó que si existieran los monopolos magnéticos, arreglarían este desequilibrio aparente, y además también explicarían por qué existe carga en paquetes discretos: múltiplos de la carga de un solo electrón.

Los investigadores han sugerido, de hecho, que el Big Bang debería haber forjado monopolos magnéticos como partículas elementales, pero hasta ahora nadie ha detectado tales cosas o los ha creado en el laboratorio. Pero un equipo dirigido por David Hall en el Amherst College en Massachusetts ha recreado el monopolo de Dirac mediante la simulación de uno en una nube de átomos de rubidio súper fríos.

El equipo de Hall siguió a una idea propuesta por los investigadores Ville Pietilla y Mikko Möttönen, para simular la forma en que un electrón se comportaría en las proximidades de un monopolo magnético, utilizando un gas de alrededor de un millón de átomos de rubidio, que se enfrió a menos de 100 mil millonésimas de grado sobre el cero absoluto. En ese punto, los átomos comienzan a perder su identidad individual y convertirse en parte en un estado cuántico colectivo de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein, o BEC.

En comparación con la visión de Dirac, el condensado en el experimento de Hall representa el único electrón, y la densidad de átomos en cada punto corresponde a la probabilidad de que el electrón exista en esa región del espacio.

Los átomos en el condensado cada uno posee un espín magnético, el equivalente cuántico de una pequeña aguja de brújula, y que responde a los campos magnéticos aplicados desde el exterior. Pero en el experimento, los espines no juegan la parte del campo magnético alrededor de un monopolo; más bien, el campo está representado por una propiedad de la forma en que los espines están dispuestos, llamado su vorticidad.

Para crear el modelo de monopolo los investigadores manipularon los espines para crear un ‘torbellino’ – esencialmente un jacuzzi – en el BEC, con el monopolo en su punto final.

El equipo tomó imágenes del torbellino y de cortes a través de él. “Vemos el remolino como una línea negra delgada, una ausencia de material como el agujero producido cuando el agua va por el desagüe”, dice Hall.

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El trabajo podría ser visto como un ejemplo de un campo cada vez mayor de la investigación denominada simulación cuántica, que utiliza un sistema cuántico para modelar otro que es más difícil de estudiar.

Esta no es la primera vez que los físicos han creado análogos de un monopolo. En 2009, los físicos observaron monopolos magnéticos en un material cristalino llamado hielo de espín, que, cuando se enfría a cero casi absoluto, parece llenarse con monopolos clásicos del tamaño de átomos. Estos son magnéticos en un sentido verdadero, pero no pueden ser estudiados individualmente.

Análogos similares se han visto en otros materiales, como en el helio superfluido, pero las observaciones eran menos directas que en este experimento, dice Tin- Lun Ho, un físico de la Universidad Estatal de Ohio en Columbus.

Möttönen, quien es co-autor del artículo, dice que el monopolo en el nuevo estudio es más cercano al real porque la estructura es idéntica a la de un monopolo magnético de Dirac. No todos los físicos están de acuerdo. “De alguna manera esto está más cerca a como luciría un monopolo real, pero en algunos aspectos es aún más”, dice Arttu Rajantie, físico teórico del Imperial College de Londres.

Steven Bramwell, un físico de la Universidad College de Londres, que fue pionero en el trabajo sobre los monopolos en hielos de espín, dice que el experimento es impresionante, pero que lo que se observa no es un monopolo de Dirac en la forma en que muchas personas pueden entenderlo. “Hay una analogía matemática aquí, una limpia y hermosa. Pero no son los monopolos magnéticos”, dice Bramwell. “Hay que hacer un poco de pensamiento lateral para proyectarlos hacia los monopolos magnéticos”, añade.

Dirac dijo la famosa frase que estaría sorprendido si la naturaleza no hubiera hecho uso de una idea tan elegante como el monopolo magnético.

Los físicos aún están buscando monopolos naturales, incluso en las rocas y muestras lunares, y en experimentos usando aceleradores de partículas.

Los monopolos simulados proporcionan una base más sólida para estas búsquedas, dice Möttönen. “Se podría uno preguntar, es esta estructura la que Dirac predijo realmente posible? Ahora que hemos visto que es posible, hay una razón más de por qué debería existir el monopolo magnético como una partícula fundamental “.

Fuente: Nature