Investigadores de la Universidad de Cambridge han descubierto monopolos magnéticos en hematita, un material similar al óxido, utilizando sensores cuánticos de diamante. Esta innovadora observación de los monopolos emergentes que se comportan como cargas magnéticas aisladas podría revolucionar la informática y permitir aplicaciones más rápidas y ecológicas.
Investigadores de Cambridge han identificado monopolos magnéticos en hematita, lo que ofrece nuevas oportunidades para una informática avanzada y respetuosa con el medio ambiente. Esta primera observación de la aparición de monopolos en un imán natural puede abrir nuevas vías en el estudio de los materiales cuánticos.
Los investigadores han descubierto monopolos magnéticos (cargas magnéticas aisladas) en un material estrechamente relacionado con el óxido, un resultado que podría utilizarse para impulsar tecnologías informáticas más ecológicas y rápidas.
Investigadores dirigidos por la Universidad de Cambridge utilizaron una técnica conocida como detección cuántica de diamantes para observar texturas arremolinadas y señales magnéticas débiles en la superficie de la hematita, un tipo de óxido de hierro.
Monopolios emergentes y texturas arremolinadas
Los investigadores observaron que los monopolos magnéticos de la hematita surgen del comportamiento colectivo de muchos espines (el momento angular de una partícula). Estos monopolos se deslizan a través de las texturas arremolinadas de la superficie de hematita como pequeños discos de hockey cargados magnéticamente. Este es el primer caso de observación experimental de monopolios naturales.
La investigación también mostró un vínculo directo entre las texturas arremolinadas previamente ocultas y las cargas magnéticas de materiales como la hematita, como si hubiera un código secreto que los uniera. Los hallazgos, que podrían ser útiles para permitir aplicaciones de memoria y lógica de próxima generación, se publican hoy (5 de diciembre) en la revista. Materiales de la naturaleza.
Una mirada histórica a los monopolios magnéticos.
Según las ecuaciones de James Clerk Maxwell, un gigante de la física de Cambridge, los objetos magnéticos, ya sea un imán de nevera o la propia Tierra, siempre deben existir como un par de polos magnéticos que no pueden aislarse.
«Los imanes que utilizamos todos los días tienen dos polos: norte y sur», dijo la profesora Mette Ataturk, quien dirigió el estudio. «A los 19mil siglo, se expresó una hipótesis sobre la posibilidad de existencia de monopolios. Pero en una de sus ecuaciones fundamentales para el estudio del electromagnetismo, James Clerk Maxwell no estaba de acuerdo.
Attatour es jefe del Laboratorio Cavendish en Cambridge, cargo que alguna vez ocupó el propio Maxwell. «Si los monopolios realmente existieran y pudiéramos aislarlos, sería como encontrar una pieza faltante de un rompecabezas que se creía perdido», afirmó.
Estrategia de emergencia e investigación colaborativa.
Hace unos 15 años, los científicos plantearon la hipótesis de cómo podrían existir monopolos en un material magnético. Este resultado teórico se basó en la extrema separación de los polos norte y sur, de modo que localmente cada polo parecía aislado en un material exótico llamado spin ice.
Sin embargo, existe una estrategia alternativa para encontrar monopolios que involucra el concepto de emergencia. La idea detrás de la emergencia es que la combinación de muchas entidades físicas puede dar como resultado propiedades mayores o diferentes de la suma de sus partes.
Trabajando con colegas de
» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})»>Universidad de Oxford y la Universidad Nacional de Singapur, investigadores de Cambridge utilizaron la emergencia para revelar monopolos que se propagan en un espacio bidimensional mientras se deslizan a través de texturas arremolinadas en la superficie de un material magnético.
Las texturas topológicas torcidas se encuentran en dos tipos principales de materiales: ferromagnetos y antiferromagnetos. De los dos, los antiferroimanes son más estables que los ferromagnetos, pero son más difíciles de estudiar porque no tienen una firma magnética fuerte.
Antiferromagnetos y magnetometría cuántica de diamantes.
Para estudiar el comportamiento de los antiferroimanes, Ataturre y sus colegas utilizan una técnica de imágenes conocida como magnetometría cuántica de diamante. Esta técnica utiliza un único espín (el momento angular del propio electrón) en una aguja de diamante para medir con precisión el campo magnético en la superficie del material sin afectar su comportamiento.
Para el estudio actual, los investigadores utilizaron esta técnica para estudiar la hematita, un material de óxido de hierro antiferromagnético. Para su sorpresa, descubrieron patrones ocultos de cargas magnéticas en la hematita, incluidos monopolos, dipolos y cuadrupolos.
«Los monopolos se habían predicho teóricamente, pero esta es la primera vez que hemos visto un monopolo bidimensional en un imán natural», dijo el coautor, el profesor Paolo Radaelli de la Universidad de Oxford.
“Estos monopolos son un estado colectivo de muchos espines que orbitan alrededor de una singularidad en lugar de una sola partícula fija, por lo que surgen de interacciones de muchos cuerpos. El resultado es una partícula pequeña, localizada y estable de la que emana un campo magnético divergente», dijo el coautor Dr. Hariom Jani de la Universidad de Oxford.
«Hemos demostrado cómo se puede utilizar la magnetometría cuántica de diamantes para revelar el misterioso comportamiento del magnetismo en materiales cuánticos bidimensionales, lo que podría abrir nuevas áreas de investigación en este campo», dijo el coautor Dr. Anthony Tan del Laboratorio Cavendish. «Siempre ha sido un desafío obtener imágenes directas de estas texturas en antiferroimanes debido a su atracción magnética más débil, pero ahora podemos hacerlo con una buena combinación de diamante y óxido».
La investigación no sólo destaca el potencial de la magnetometría cuántica del diamante, sino que también destaca su capacidad para detectar e investigar fenómenos magnéticos ocultos en materiales cuánticos. Cuando se controlan, estas texturas arremolinadas revestidas de cargas magnéticas pueden proporcionar una lógica de memoria de computadora ultrarrápida y energéticamente eficiente.
Referencia: «Detección del origen de carga magnética en antiferroimanes mediante magnetometría cuántica de diamante» por Anthony CS Tan, Hariom Jani, Michael Hogen, Lucio Stephan, Claudio Castelnova, Daniel Braund, Alexandra Geim, Annika Mechnich, Matthew SG Feuer, por Helena S. Knowles, Arianda Arianda, Paolo G. Radaelli y Mette Atatiure, 5 de diciembre de 2023. Materiales de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41563-023-01737-4
La investigación fue apoyada en parte por la Royal Society, el Instituto Sir Henry Royce, la Unión Europea y el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), que forma parte de UKRI (UKRI).
