Los diamantes y el óxido reescriben los libros de texto de física

Investigadores de la Universidad de Cambridge han descubierto monopolos magnéticos en hematita, un material similar al óxido, utilizando sensores cuánticos de diamante. Esta observación pionera de polos emergentes, que se comportan como cargas magnéticas aisladas, podría revolucionar la tecnología informática al permitir aplicaciones más rápidas y respetuosas con el medio ambiente.

Investigadores de Cambridge han identificado monopolos magnéticos en hematita, lo que sugiere nuevas posibilidades para técnicas informáticas avanzadas y respetuosas con el medio ambiente. Esta observación por primera vez de polos emergentes en imanes naturales podría abrir nuevos horizontes en la investigación de materiales cuánticos.

Los investigadores han descubierto monopolos magnéticos (cargas magnéticas aisladas) en un material estrechamente relacionado con el óxido, un hallazgo que podría utilizarse para impulsar tecnologías informáticas más ecológicas y más rápidas.

Investigadores dirigidos por la Universidad de Cambridge utilizaron una técnica conocida como detección cuántica de diamantes para observar texturas arremolinadas y débiles señales magnéticas en la superficie de la hematita, un tipo de óxido de hierro.

Monopolios emergentes y texturas de remolinos

Los investigadores observaron que los monopolos magnéticos en la hematita aparecen a través del comportamiento colectivo de muchos espines (el momento angular de la partícula). Estos monopolos se deslizan a través de las texturas arremolinadas de la superficie de hematita, como pequeños discos de hockey con carga magnética. Esta es la primera vez que se observan experimentalmente monopolos naturales.

La investigación también ha demostrado una conexión directa entre las texturas de los vórtices previamente ocultas y las cargas magnéticas de materiales como la hematita, como si hubiera un código secreto que los uniera. Los resultados, que pueden ser útiles para permitir aplicaciones de memoria y lógica de próxima generación, se publicaron hoy (5 de diciembre) en la revista Materiales de la naturaleza.

Una perspectiva histórica sobre los monopolios magnéticos

Según las ecuaciones de James Clerk Maxwell, uno de los gigantes de la física de Cambridge, los objetos magnéticos, ya sean imanes de nevera o la propia Tierra, siempre deberían existir como un par de polos magnéticos que no pueden aislarse.

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«Los imanes que utilizamos todos los días tienen dos polos: norte y sur», afirmó el profesor Mete Atatori, que dirigió la investigación. «El día 19y En el siglo XX se postuló que podían existir unipolos. Pero en una de sus ecuaciones fundamentales para el estudio del electromagnetismo, James Clerk Maxwell no estuvo de acuerdo con esta opinión.

Attatori es jefe del Laboratorio Cavendish en Cambridge, cargo que anteriormente ocupaba el propio Maxwell. «Si los monopolos existen y podemos aislarlos, sería como encontrar una pieza faltante de un rompecabezas que supuestamente faltaba», afirmó.

Estrategia de emergencia e investigación colaborativa.

Hace unos 15 años, los científicos propusieron cómo existen los monopolos en los materiales magnéticos. Este resultado teórico se basó en la extrema separación entre los polos norte y sur, de modo que cada polo aparece localmente aislado en una sustancia exótica llamada espín hielo.

Sin embargo, existe una estrategia alternativa para encontrar monopolios, que implica el concepto de emergencia. La idea de emergencia es que la combinación de varias entidades físicas puede conducir a propiedades que son mayores o diferentes de la suma de sus partes.

Trabajar con colegas de Universidad de Oxford Y los investigadores de la Universidad Nacional de Singapur, Cambridge, utilizaron la emanación para detectar monopolos que se extendían en el espacio 2D, deslizándose a través de tejidos de vórtice en la superficie de un material magnético.

Las texturas topológicas de vórtice se encuentran en dos tipos principales de materiales: ferromagnetos y antiimanes. De los dos, los antiimanes son más estables que los ferroimanes, pero son más difíciles de estudiar porque no tienen una firma magnética fuerte.

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Antiimanes y magnetometría cuántica de diamantes.

Para estudiar el comportamiento de los antiimanes, Attatori y sus colegas utilizaron una técnica de imágenes conocida como magnetometría cuántica de diamante. Esta técnica utiliza un único espín (el momento angular inherente de un electrón) en una aguja de diamante para medir con precisión el campo magnético en la superficie de un material, sin afectar su comportamiento.

En el estudio actual, los investigadores utilizaron esta técnica para observar la hematita, un material de óxido de hierro antimagnético. Para su sorpresa, encontraron patrones ocultos de cargas magnéticas dentro de la hematita, incluidos monopolos, dipolos y cuadrupolos.

El coautor, el profesor Paolo Radelli de la Universidad de Oxford, dijo: «La existencia de monopolos se predijo teóricamente, pero esta es la primera vez que vemos un monopolo 2D en un imán natural».

«Estos monopolos son un estado colectivo de muchos espines que orbitan alrededor de una singularidad en lugar de una única partícula estable, por lo que emergen a través de interacciones de muchos cuerpos. El resultado es una pequeña partícula estable localizada que emerge de ellos», dijo el coprimer autor, el Dr. Harium Jani, de la Universidad de Oxford, campo magnético variable.

El coautor principal, el Dr. Anthony Tan, de la Universidad de Harvard, dijo: «Hemos demostrado cómo se puede utilizar la magnetometría cuántica de diamantes para desentrañar el misterioso comportamiento del magnetismo en materiales cuánticos 2D, lo que puede abrir nuevas áreas de estudio en este campo». Laboratorio Cavendish. «El desafío siempre ha sido obtener imágenes directas de estos tejidos en antiimanes debido a su débil atracción magnética, pero ahora podemos hacerlo con una exquisita combinación de diamante y óxido».

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El estudio no sólo destaca el potencial de la magnetometría cuántica del diamante, sino que también subraya su potencial para detectar e investigar fenómenos magnéticos ocultos en materiales cuánticos. Si se controlan, estos tejidos giratorios cubiertos de cargas magnéticas podrían ejecutar la lógica de la memoria de la computadora de manera extremadamente rápida y eficiente desde el punto de vista energético.

Referencia: “Detección de carga magnética emergente en antiimanes mediante magnetometría cuántica de diamante” por Anthony KC Tan, Harium Jani, Michael Hogan, Lucio Stefan, Claudio Castelnuovo, Daniel Brund, Alexandra Jim, Annika Michnic, Matthew SJ Fiore, Helena s. Knowles, Ariando Ariando y Paolo G. Radelli y Miti Atatori, 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), parte de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI).

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