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A principios de este año, la revista Nature publicó el artículo "Observation of Dirac monopoles in a synthetic magnetic field". En él, investigadores del Amherst College en Estados Unidos y de Aalto University en Finlandia, reportan la observación de monopolos magnéticos, lo que atrajo la atención de la comunidad científica mundial debido, en buena parte, a una larga historia de buscar lo imposible.

La observación reportada es importante porque va en contra lo que sabemos hasta ahora: que los imanes tienen dos polos magnéticos, uno norte y otro sur, y que los polos opuestos se atraen y los iguales se repelen. También se sabe que si un imán se divide, inmediatamente adquiere un polo sur y uno norte, y que cada uno emite automáticamente un campo magnético que se atrae o se repele.

Si esto es lo que muestra la evidencia científica, ¿cómo es posible que se haya observado un imán con un solo polo? ¿Cómo puede tener un solo polo y seguir teniendo una fuerza magnética? ¿Qué es lo que atrae o repele si no hay otro polo?

Uno de los primeros científicos que se hizo estas preguntas fue Paul Dirac y en 1931 construyó la teoría de cómo debería ser un monopolo magnético que estuviera acorde con las leyes de la física que se conocían en ese entonces.

Las fuerzas que hacen que los polos de un imán se atraigan o se repelen son en realidad un campo que no podemos ver, pero que muchos hemos experimentado cuando intentamos juntar dos imanes.

Un monopolo magnético sólo tendría una “carga”, ya que es una carga magnética aislada. Y aunque en la naturaleza no hay ninguna ley que prohíba la existencia de un monopolo magnético, lo cierto es que hasta ahora no se ha encontrado y tampoco sus efectos han sido observados.

Incluso, a pesar de lo que reportan los científicos del Amherst College, en Estados Unidos y la Aalto University, en Finlandia, para el investigador del Instituto de Física Víctor Romero Rochín, “es probable que aún no se haya descubierto la manera en cómo observar este fenómeno”.

La ciencia no ha logrado observar un campo que sólo tenga una carga magnética en lugar de dos tal y como lo dictan las leyes del electromagnetismo, sin embargo, dentro del laboratorio sí se pueden crear sistemas que se comporten de manera análoga al fenómeno real y que hagan un campo observable, así lo explica Romero Rochín.

Eso es justo lo que se reporta en el artículo de Nature: un experimento a través del cual se logró reproducir el efecto monopolo a bajas temperaturas. Se trata de una nube de gas de átomos de rubidio ultrafríos, es decir, un condensado de Bose-Einstein, en el que podemos decir que se armó un monopolo artificial.

Lo que los investigadores hicieron fue un sistema que reprodujo cómo se comportaría el campo magnético de un monopolo. En física, la mayoría de las veces los fenómenos no se ven directamente sino que se observan a través de condiciones muy controladas.

En su teoría, Dirac demostró matemáticamente que un monopolo sería capaz de dejar un vórtice a su paso cuando atravesara una nube cuántica de electrones, que es un cúmulo de átomos confinados en un mismo lugar.

Imagen de cómo se comportaría un monopolo, según Dirac Fuente: Aalto University.

En el experimento que se reportó en enero pasado, los investigadores hicieron un condensado de Bose-Einstein que haría las veces de la nube de electrones que formuló Dirac. Después, se le aplicaron al BEC campos magnéticos y ópticos externos, simulando el campo de un monopolo.

Lo que ocurrió, tal como lo predijo Dirac, es que el campo magnético tuvo efecto sobre los átomos y orientó sus espines tal y como si fueran la fuerza magnética de un monopolo.

Monopolo análogo creado en laboratorio. Fuente: Aalto University.

Una de las ventajas más interesantes de este sistema es que en estas condiciones es posible la observación individual de cada monopolo, lo cual permitiría que en el futuro se pudiera observar cómo serían las interacciones entre dos monopolos magnéticos.

¿Cuál es el motivo para investigar si puede o no existir un monopolo magnético? Para Víctor Romero la primera razón para estudiar este fenómeno es satisfacer la curiosidad y reconoce que uno de los sueños más importantes de los científicos es descubrir algo que nunca antes se haya visto. La segunda razón es explicar algunos aspectos, como por ejemplo, por qué las cargas negativas y positivas tienen el mismo valor, pero con signo contrario.

“No podemos tener el entendimiento completo del Universo si no sabemos lo que existe en el fondo de los átomos, ya que mientras más conozcamos a la naturaleza, mejor uso vamos a hacer de ella”.

El especialista en termodinámica también mencionó que el estudio de los monopolos magnéticos está relacionado con otros aspectos de la física contemporánea. Por ejemplo, la teoría actual del Universo está pensada sin monopolos, de esta manera, “si se logra crear un monopolo muchas partes de la física tendrán que revisarse sin duda”.

En septiembre del año en curso se comenzará a construir el primer laboratorio de materia ultra fría en el Instituto de Física, lo cual es el principio para estudiar los fenómenos que ocurren cuando la materia se encuentra a muy bajas temperaturas como los BEC o los monopolos electromagnéticos artificiales.

Un laboratorio de este tipo también permitirá el estudio de la información y computación cuántica que es el siguiente nivel de la comunicación actual. En México hasta el momento sólo existen tres laboratorios de este tipo: el laboratorio de Átomos Fríos del Instituto de Ciencias Nucleares, el de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí y el laboratorio del Centro Nacional de Metrología de Querétaro.