Materia en un nuevo estado: científicos del CONICET muestran cómo obtener un “líquido de monopolos” en un cristal

*Por Rodolfo A. Borzi y Lucas Pili

El trabajo que se da a conocer hoy en la revista científica Communication Physics, del grupo Nature, fue desarrollado íntegramente en el Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLYSIB, CONICET-UNLP), lo cual implica para nosotros un logro especial. 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 previamente.

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. Estas analogías son más que simples metáforas; en ellas, dos sistemas muy distintos pueden realmente –cuantitativamente– comportarse de forma similar.

Algunos ejemplos servirán para aclarar lo anterior. Un metal puede ser descripto como un “fluido de electrones”, y existen también cristales de electrones.  Dentro de un recipiente vacío con sus paredes calientes siempre hay luz, aún si nos parece oscuro. Ese “vacío” se puede entender como un “gas de partículas de luz” o un gas de fotones. La analogía no termina ahí: en un cristal viajan ondas de sonido, parecidas a las de la luz pero mucho más lentas. Cuantitativamente, esas vibraciones del cristal se pueden describir como un gas de partículas de sonido: un “gas de fonones” (“foto” por luz en fotones, y “fono” por sonido en fonones).

Cabe preguntarse: ¿quién puso los fonones adentro de, por ejemplo, un cristal de sal (cloruro de sodio)? La respuesta es: nadie. 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. Cuantitativamente, es como si estuvieran allí. De esta manera, comenzamos a acercarnos a nuestra área de trabajo. Algunos compuestos que estudiamos se denominan “hielos de spin”. 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. La explicación para este nombre es más complicada: se refiere al desorden presente en el hielo.

El agua está desordenada porque sus moléculas pueden moverse de un lado a otro. 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 (spines) que apuntan en distintas direcciones, con cierto grado de desorden. Puede mostrarse que los imanes atómicos están igual de desordenados que los enlaces en el hielo. Otra vez es importante resaltar algo: la analogía supera la estética; lo es también en términos cuantitativos.

Antes decíamos que, al elevar la temperatura de un material, sus vibraciones se pueden describir como un gas de partículas o fonones. Cuando calentamos un hielo de spin, aparecen un nuevo tipo de partículas que se asocian al magnetismo antes que a las vibraciones. 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. Lo más parecido a ellas son los polos de un imán, pero estos siempre se encuentran de a pares en sus extremos. 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. Dos partículas con carga + se repelen magnéticamente entre sí, y una + y una - se atraen. 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. Por eso son “monopolos magnéticos”.

Con esto, nos vamos aproximando al hallazgo que se publica hoy. Hemos dicho que hay fases “fluidas” y “cristalinas” hechas de electrones. 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.

¿Y qué hay del “líquido de monopolos”? 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. En este trabajo, mostramos teóricamente y mediante simulaciones computacionales que sí puede estabilizarse si permitimos que dentro del cristal ocurran, espontáneamente, pequeñas distorsiones locales.

En base a este hallazgo pudimos reinterpretar experimentos anteriores. Mostramos 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. También hicimos varias predicciones sobre cómo obtener otras fases de monopolos. Finalmente, intentamos explicar cómo usar este conocimiento para controlar el comportamiento o aprender más sobre lo que sucede dentro de uno de estos cristales.

*Rodolfo Borzi es investigador independiente del CONICET y Lucas Pili es becario doctoral del organismo. Ambos se desempeñan en el IFLYSIB y son parte de un grupo de investigación dedicado al estudio teórico y experimental de nuevas formas de orden a bajas temperaturas.

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

a) En cada tetrahedro del "hielo de spin" hay dos espines apuntando hacia adentro, y dos hacia afuera (de colores distintos). La temperatura los hace rotar creando unos pocos monopolos positivos y negativos (esferas).
b) Los científicos motraron cómo estabilizar un líquido denso de monopolos.

Sobre investigación:

Demian Slobinsky. Investigador asistente. IFLYSIB.

Lucas Pili. Becario doctoral. IFLYSIB.

Gabriel Baglietto. Investigador adjunto. Y-Tec.

Santiago A. Grigera. Investigador principal. IFLYSIB.

Rodolfo A. Borzi. Investigador independiente. IFLYSIB.

Referencias bibliográficas:

Slobinsky, D.; Pili, L.; Baglietto, G.; Grigera, S. A.; Borzi, R. A. Monopole matter from magnetoelastic coupling in the Ising pyrochlore. Communication Physics. 2020.