Helmholtz Association of German Research Centres

		IMAGEM: Bastian Klemke e Jonathan Morris operam os instrumeno E2  do Reator de Pesquisa no HZB em Berlim. Créditos e imagem ampliada.

Pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und
Energie conseguiram, em cooperação com colegas de Dresden, St. Andrews,
La Plata e Oxford, observar pela primeira vez monopolos magnéticos e a maneira pela qual eles emergem em um material real. Eles publicam esse resultado em Science  dentro do website Science Express em 3 de setembro.

Monopolos magnéticos são partículas hipotéticas propostas pelos físicos que têm um único polo magnético – um polo Sul, ou um polo Norte. No mundo material isso seria realmente surpreendente porque as partículas magnéticas são normalmente observadas como dipolos – os polos Norte e Sul combinados. No entanto, existem diversas teorias que predizem a existência de monopolos. Entre outros, em 1931 o físico Paul Dirac foi levado por seus cálculos à conclusão de que monopolos magnéticos poderiam existir nas extremidades de tubos – chamados de Cordas de Dirac – que conduzem um campo magnético. Até agora, nenhum monopolo tinha sido detectado.

		IMAGEM: Impressão artísitca de um “espaguete de spins” de cordas de Dirac. Crédito e imagem ampliada.

Jonathan Morris, Alan Tennant e colegas
(HZB) realizaram uma experiêrncia de espalhamento de nêutrons no reator de pesquisas de Berlin. O material sob investigação era um único cristal de Titanato de Disprósio. Este material se cristaliza em uma geometria notável, a assim chamada estrutura-piroclórica (pyrochlore-lattice). Com o auxílio do espalhamento de nêutrons, Morris e Tennant mostram que os momentos magnéticos dentro do material se reorganizaram no assim chamado “Espaguete-de-Spins” (“Spin-Spaghetti”).  Esse nome vem do ordenamento dos próprios dipolos, de forma tal que surge uma rede de tubos contorcidos (cordas), através dos quais passa o fluxo magnético. Estes podem ser tornados visíveis através de sua interação com os nêutrons que têm, eles mesmos, um momento magnético. Dessa forma, os nêutrons se espalham de uma forma que reproduz os momentos das cordas.

Durante as medições do espalhamento dos nêutrons, os pesquisadores aplicaram um campo magnético ao cristal. Com este campo eles podiam influenciar a siemetria e a orientação das cordas. Dessa forma foi possível reduzir a densidade das redes de cordas e promover a dissociação do monopolo. Como resultado, em temperaturas de 0,6 a 2 Kelvin, as cordas ficam visíveis e têm monopolos magnéticos em suas extremidades.

		IMAGEM: Diagrama esquemático da experiência de espalhamento de nêutrons. Créditos e imagem ampliada.

A assinatura de um gás feito desses monopolos foi igualmente observada, através do calor específico medido por Bastian
Klemke (HZB), fornecendo mais uma confirmação da existência dos monopolos e demonstrando que estes interagem da mesma forma que as cargas elétricas.

No presente trabalho, os pesquisadores atestam, pela primeira vez, a existência de monopolos como estados emergentes da matéria – isto é, que eles emergem de arranjos especias de dipolos e que são completamente diferentes dos constituentes do material.

Em paralelo com este conhecimento fundamental, Jonathan Morris explica que existem implicações adicionais nos resultados:

— Estamos relatando sobre novas e fundamentais propriedades da matéria. Essas propriedades são genericamente válidas para materiais com a mesma topologia, ou seja: para momentos magnéticos na estrutura piroclórica. Isto pode ter grandes repercussões para o desenvolvimento de novas tecnologias. Mas, acima de tudo, é a primeira vez que se observa a fracionalização em três dimensões.

Artigo em Science Express 3 de setembro de 2009:

Dirac Strings and Magnetic Monopoles in Spin Ice Dy2Ti2O7

D.J.P. Morris, D.A. Tennant, S.A. Grigera, B. Klemke, C.
Castelnovo, R. Moessner, C. Czter-nasty, M. Meissner, K.C. Rule, J.-U.
Hoffmann, K. Kiefer, S. Gerischer, D. Slobinsky e R.S. Perry