Descubrimientos recientes en materiales como la germanita de manganeso han revelado estructuras que se comportan como monopolos magnéticos. Los investigadores han identificado nuevas propiedades dinámicas en estas estructuras, lo que podría allanar el camino para tecnologías innovadoras en espintrónica y la investigación fundamental en física. Crédito: SciTechDaily.com
Los investigadores han revelado por primera vez la naturaleza dinámica de los monopolos magnéticos que surgen en imanes reales.
Los monopolos magnéticos son partículas elementales con cargas magnéticas aisladas en tres dimensiones. En otras palabras, se comportan como polos norte o sur aislados de un imán. Los monopolos magnéticos han atraído un interés continuo en la investigación desde la primera propuesta del físico Paul Dirac en 1931.
Sin embargo, aún no se han observado verdaderos monopolos magnéticos y su existencia sigue siendo una cuestión abierta. Por otro lado, los científicos han descubierto cuasipartículas que se comportan matemáticamente como monopolos magnéticos en sistemas de materia condensada, lo que da lugar a fenómenos interesantes.
Recientemente, los investigadores descubrieron que un material llamado germanita de manganeso (MnGe) tiene una estructura periódica única, formada por configuraciones magnéticas especiales llamadas erizos y anti-erizos, lo que se denomina red magnética erizo. En estas configuraciones especiales, los momentos magnéticos apuntan radialmente hacia afuera (erizo) o hacia adentro (anti-erizo), asemejándose a las púas de un erizo. Estos erizos y antierizos actúan como monopolos y antimonopolos magnéticos, sirviendo como fuentes o sumideros de campos magnéticos emergentes.
Los modos de excitación colectiva de las redes hedgehog se rigen por la oscilación de las cuerdas de Dirac que conectan un erizo y un anti-erizo, que pueden usarse para estudiar su configuración espacial en imanes. Crédito: Masahito Mochizuki de la Universidad de Waseda
MnGe exhibe lo que se conoce como una red hedgehog triple Q. Sin embargo, experimentos recientes han demostrado que reemplazar Ge con Si (MnSi1-XGeX) transforma el arreglo en el cuádruplePAG celosía de erizo (4PAG-HL). Esta nueva disposición, que también se encuentra en la ferrita perovskita SrFeO3, proporciona una vía prometedora para estudiar y controlar las propiedades de las redes hedgehog. Además, estos monopolos magnéticos también pueden inducir campos eléctricos mediante el movimiento siguiendo las leyes del electromagnetismo de Maxwell. Para comprender los nuevos fenómenos físicos resultantes, es fundamental estudiar las excitaciones inherentes a las redes hedgehog.
Resultados de la encuesta de la Universidad de Waseda
En un estudio reciente, el profesor Masahito Mochizuki y el estudiante de doctorado Rintaro Eto, ambos del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Waseda, estudiaron teóricamente los modos de excitación colectiva de 4Q-HL en MnSi.1xGeX y SrFeO3. “Nuestra investigación ha aclarado por primera vez la naturaleza dinámica desconocida de los monopolos magnéticos que surgen en materiales magnéticos. Esto podría inspirar experimentos futuros sobre materiales que albergan erizos con aplicaciones en dispositivos electrónicos y para unir la física de partículas y la física de la materia condensada”, afirma Mochizuki. Su estudio fue publicado en la revista. Cartas de revisión física el 31 de mayo de 2024.
Utilizando el modelo tridimensional de la red Kondo, los investigadores reprodujeron los dos 4 distintosPAG-HL encontrados en MnSi1-XGeX y SrFeO3 y analizó sus propiedades dinámicas. Descubrieron que los 4PAG-Los HL tienen modos de excitación colectiva asociados con la oscilación de las cuerdas de Dirac. Una cuerda de Dirac es un concepto teórico en mecánica cuántica que describe una cuerda que conecta un monopolo magnético y un antimonopolo magnético, en este caso un erizo y un antierizo.
Los investigadores descubrieron que el número de estos modos de excitación depende del número y la configuración de las cuerdas de Dirac, lo que ofrece una forma de determinar experimentalmente la configuración espacial de los erizos y anti-erizos y su topología única en imanes reales como el MnSi.1-XGeX y SrFeO3. Este descubrimiento también ofrece información sobre la dinámica de las redes hedgehog en otros imanes. Además, el descubrimiento permite activar y desactivar los modos de excitación controlando la presencia o ausencia de cuerdas de Dirac con un campo magnético externo.
Al explicar la importancia de sus resultados, Eto señala: “Los modos de excitación de espín colectivo revelados en el estudio son excitaciones elementales que reflejan directamente la presencia (o ausencia) de monopolos magnéticos emergentes. Por lo tanto, nuestros hallazgos serán una guía fundamental para estudiar en el futuro la naturaleza dinámica más detallada de los monopolos emergentes en materiales magnéticos. Además, podrían convertirse en los componentes básicos de nuevos dispositivos espintrónicos conmutables en campo, como generadores de energía de tamaño nanométrico, convertidores de voltaje de luz y filtros de luz/microondas basados en electromagnetismo emergente”.
Estos descubrimientos tienen el potencial de abrir nuevas vías de investigación en física fundamental y conducir al desarrollo de nuevas tecnologías que involucran monopolos magnéticos emergentes en imanes.
Referencia: “Teoría de las excitaciones colectivas en redes cuádruples magnéticas Hedgehog 𝑄” por Rintaro Eto y Masahito Mochizuki, 31 de mayo de 2024, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.226705
