Oh, não!… Monopolos magnéticos de novo!…

(Calma! Não são monopolos magnéticos de verdade! Mas são muito parecidos…)

National Institute of Standards and Technology (NIST)

Primos em larga-escala dos elusivos “monopolos magnéticos” descobertos pelo NIST

FIGURA:
Monopolos Magnéticos são criados quando o spin de um íon em um vértice de um cristal de gelo de spin é invertido, criando um monopolo (a esfera em vermelho) e o monopolo adjacente (esfera em azul)

Imagem ampliada e maiores informações.

Qualquer criança pode dizer que um magneto tem um polo “norte” e um polo “sul’, e que, se você quebrá-lo em duas partes, você invariavelmente ficará com dois magnetos menores, cada um com dois polos, um norte e um sul. No entanto, os cientistas passaram a maior parte das últimas oito décadas tentando encontrar um magneto com um só polo. Uma equipe do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (National Institute of
Standards and Technology = NIST) descobriu um.*

Em1931, Paul
Dirac
, um dos “astros do rock” do mundo da física, fez o vaticínio surpreendente de que deveriam existir “monopolos magnéticos”, ou seja, partículas com apenas um polo (norte ou sul). Ele chegou a esta conclusão a partir do exame de um famoso conjunto de equações que explicam o relacionamento entre a eletricidade e o magnetismo. As equações de Maxwell se aplicam a velhas conhecidas partículas monopolares elétricas, tais como os elétrons de carga negativa e os prótons de carga positiva, porém, não obstante as previsão de Dirac, ninguém jamais encontrou as benditas partículas com um único polo magnético.

FIGURA:
Monopolos Magnéticos são criados quando
o spin de um íon em um vértice de um cristal de gelo de spin é
invertido, criando um monopolo (a esfera em vermelho) e o monopolo
adjacente (esfera em azul)

Imagem ampliada e maiores informações.

Agora, uma equipe de pesquisas que trabalha no Centro de Pesquisas de Nêutrons do NIST (NIST’s Center for Neutron Research = NCNR), liderado por Hiroaki Kadowaki da Universidade Metropolitana de Tokio, encontrou o melhor sucedâneo. Criando um composto que, sob certas condições, forma grandes monopolos do tamanho de uma molécula que se comportam exatamente como as partículas previstas deveriam se comportar, a equipe descobriu uma maneira de estudar os monopolos magnéticos em laboratório, não apenas no quadro-negro. (Outra equipe de pesquisas, em trabalho paralelo, publicou descobertas semelhantes na Science no mês passado.**)

“Essas não são as partículas de monopolos magnéticos previstas por Dirac — as nossas são, em comparação, grandes demais — mas se comportam como os verdadeiros em todas as formas”, afirma Jeff Lynn, um físico do
NIST. “Suas propriedades nos permitirão testar como as partículas de monopolos teóricas devem se comportar e interagir”.

A equipe criou seus monopolos em um composto feito de oxigênio, titânio e disprósio que, quando resfriado até próximo do zero absoluto, forma o que os cientistas chamam de “gelo de spin”. O material se congela em cristais de quatro faces (uma pirâmide com uma base triangular [NT: popularmente conhecida como “tetraedro”… não necessariamente regular]) e a orientação magnética, ou “spin”, dos íons em cada um dos vértices ficam equilibrados — dois apontam para dentro e dois para fora. Usando feixes de nêutrons no NCNR, a equipe descobriu que podia desviar para o lado um dos spins, de forma a que três apontassem para dentro e um para fora, “criando um monopolo, ou ao menos seu equivalente matemático”, segundo Lynn.

FIGURA:  Monopolos Magnéticos são criados
quando o spin de um íon em um vértice de um cristal de gelo de spin é
invertido, criando um monopolo (a esfera em vermelho) e o monopolo
adjacente (esfera em azul)

Imagem ampliada e maiores informações.

Como cada pirâmide de cristal partilha seus vértices com as pirâmides adjacentes, inverter o spin de um vértice cria um “anti-monopolo” na pirâmide seguinte. A equipe criou pares monopolo-anti-monopolo repetidamente em um pedaço relativamente grande de gelo de spin, permitindo que eles confirmassem a existência dos monopolos através de técnicas avançadas de imageamento, tais como o espalhamento de nêutrons.

Embora as descobertas não digam à equipe onde no universo podem ser encontradas as fugidias partículas de monopolos magnéticos de Dirac, Lynn declara que o exame do gelo de spin permitirá aos cientistas testar algumas previsões acerca dos monopolo: “As equações de Maxwell indicam que esses monopolos devem obedecer à Lei de Coulomb, o que indica que sua interação deve enfraquecer à medida em que a distância entre eles aumenta. Usando cristais de gelo de spin, podemos testar ideias como essa”.

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* H. Kadowaki, N. Doi, Y. Aoki, Y. Tabata, T.J. Sato, J.W. Lynn,
K. Matsuhira e Z. Hiroi. Observation of magnetic monopoles in spin
ice
. Journal of the Physical Society of Japan,78, nº. 10, 13 Out. 2009. (A equipe apresentou pela primeira vez suas descobertas na Conferência Internacional sobre Espalhamento de Nêutrons em maio de 2009.)

** D. J. P. Morris, et al. Dirac strings and magnetic monopoles in spin ice Dy2Ti2O7. Science, publicado online em 3 Set 2009.

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