Es un fluido de partículas que se comportan como los polos de un imán

Buenos Aires-(Nomyc)-“El marco en el que se inserta este trabajo es lo que llamamos ´materia condensada´, esto es, materiales compuestos por partículas que se encuentran muy cerca unas de las otras, La física y en particular la de materia condensada, es famosa por proveer analogías entre una variedad de sistemas distintos que son más que simples metáforas; en ellas, dos sistemas muy distintos pueden realmente –cuantitativamente– comportarse de forma similar” explica Demian Slobinsky, integrante del equipo del Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLYSIB, CONICET-UNLP), quien agrega que “esto implica para nosotros un logro especial y allí mostramos, como parte de un equipo que se completa con los investigadores del CONICET Demian Slobinsky, Gabriel Baglietto y Santiago Grigera, cómo es posible obtener una fase de la materia llamada “líquido de monopolos”, sobre la que se había especulado antes.

Como ejemplo, se puede decir que un metal puede ser descripto como un “fluido de electrones”, y existen también cristales de electrones y dentro de un recipiente vacío con sus paredes calientes siempre hay luz, aún si parece oscuro.

Ese “vacío” se puede entender como un “gas de partículas de luz” o un gas de fotones, pero la analogía no termina ahí: en un cristal viajan ondas de sonido, parecidas a las de la luz pero mucho más lentas.

De manera cuantitativa, esas vibraciones del cristal se pueden describir como un gas de partículas de sonido: un “gas de fonones”, es decir “foto” por luz en fotones, y “fono” por sonido en fonones.

Ante esto los investigadores se preguntaron ¿quién puso los fonones adentro de, por ejemplo, un cristal de sal, es decir cloruro de sodio? y la respuesta es nadie, pero la explicación es que las vibraciones de los iones de cloro y de sodio se describen como si hubiera un gas de otras partículas, en algún sentido ficticias.

“De manera cuantitativa, es como si estuvieran allí, por lo que comenzamos a acercarnos a nuestra área de trabajo. Algunos compuestos que estudiamos se denominan ´hielos de spin´” continúa el investigador.

“Acá llamamos spin al pequeño imán que tienen asociados algunos átomos, por su nombre, podría pensarse que en el hielo las moléculas de agua son como un imán, pero no es así y la explicación para este nombre es más complicada: se refiere al desorden presente en el hielo” explica Slobinsky.

El agua está desordenada porque sus moléculas pueden moverse de un lado a otro y el hielo, estrictamente hablando, también está desordenado: pese a estar relativamente quietas, la orientación de las moléculas y los tipos de enlace entre ellas tienen cierto margen de aleatoriedad.

“Asimismo, en los hielos de spin hay imanes atómicos o spines, que apuntan en distintas direcciones, con cierto grado de desorden y puede mostrarse que los imanes atómicos están igual de desordenados que los enlaces en el hielo, pero otra vez, es importante resaltar algo: la analogía supera la estética; lo es también en términos cuantitativos” agrega el investigador.

“Antes se decía que, al elevar la temperatura de un material, sus vibraciones se pueden describir como un gas de partículas o fonones y cuando calentamos un hielo de spin, aparecen un nuevo tipo de partículas que se asocian al magnetismo antes que a las vibraciones” continúa Slobinsky.

Estas, son llamadas “monopolos” por el parecido con los monopolos magnéticos, partículas elementales que fueron predichas teóricamente por el ingeniero británico Paul Dirac en 1931, aunque nunca fueron encontradas en la práctica y lo más parecido a ellas son los polos de un imán, pero estos siempre se encuentran de a pares en sus extremos y si partimos un imán al medio, no podemos separar el polo positivo (+) del negativo (-), sino que simplemente creamos dos nuevos imanes, cada uno con un + y otro -.

“Sin embargo, dentro de los cristales de hielos de spin hay partículas que son como los fonones (en el sentido de que nadie las puso ahí: no son las partículas de las que está hecho el material) pero también son como los polos magnéticos y dos partículas con carga + se repelen magnéticamente entre sí, y una + y una – se atraen, pero a diferencia de los imanes, dentro del cristal sí se pueden separar los + y los -: ellos vagan por todo el material como si fueran electrones en un metal y por eso son “monopolos magnéticos” agrega el investigador.

Con esto, los investigadores se aproximanal hallazgo que se publica hoy. Hemos dicho que hay fases “fluidas” y “cristalinas” hechas de electrones y es válido preguntarse: ¿es posible hacer cristales? ¿y líquidos de monopolos? Cuando se propuso por primera vez la existencia de monopolos en hielos de spin, se reinterpretó un hallazgo experimental previo (una transición magnética de fase que ocurría en estos sistemas al poner un campo magnético intenso) como la formación de un “cristal de monopolos”, entonces, la respuesta a la primera pregunta es afirmativa.

Sobre qué pasa son el “líquido de monopolos”, los investigadores explican que  hasta ahora no se sabía cómo obtener esta fase. No es posible obtenerla con un campo magnético, ya que este apunta en una dirección especial, pero un líquido es isotrópico, es decir que sus propiedades deben ser iguales en todas las direcciones, con lo cual no podemos aplicar un campo magnético para estabilizarlo”.

“En un trabajo anterior mostramos que era imposible obtener un líquido de monopolos con interacciones magnéticas tradicionales y en este trabajo, mostramos teóricamente y mediante simulaciones computacionales que sí puede estabilizarse si permitimos que dentro del cristal ocurran, espontáneamente, pequeñas distorsiones locales” agregan.

En base a este hallazgo, los investigadores reinterpretaron experimentos anteriores, por lo que mostraron que la estabilidad de una fase ya conocida,  otro tipo de cristal de monopolos, podía explicarse con este mecanismo. Este cristal provendría del líquido de monopolos, al congelarse y también hicieron varias predicciones sobre cómo obtener otras fases de monopolos.

Por último, intentaron explicar cómo usar este conocimiento para controlar el comportamiento o aprender más sobre lo que sucede dentro de uno de estos cristales.

**Los átomos magnéticos del cristal son como pequeños imanes (flechas), que forman una estructura de tetraedros.

Nomyc-25-3-21