Por Brian Wang para Next Big Future | 29 de octubre de 2017
Físicos cuánticos en el grupo de investigación de Oriol Romero-Isart en Innsbruck muestran en dos publicaciones actuales que, a pesar del teorema de Earnshaw, los nanomagnetos pueden ser levitados de forma estable en un campo magnético estático externo debido a los principios mecánicos cuánticos. El momento angular cuántico de los electrones, que también causa magnetismo, es responsable de este mecanismo.
En 1842, el matemático británico Samuel Earnshaw demostró que no hay una configuración estable de levitación de imanes permanentes. Si un imán se levita sobre otro, la perturbación más pequeña hará que el sistema se bloquee. La parte superior magnética, un juguete popular, elude el teorema de Earnshaw: cuando se lo molesta, el movimiento giratorio de la parte superior causa una corrección del sistema y se mantiene la estabilidad. En colaboración con investigadores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica de Munich, los físicos del grupo de investigación de Oriol Romero-Isart en el Instituto de Física Teórica, Universidad de Innsbruck, y el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica, Academia de Ciencias de Austria, ahora "En el mundo cuántico, pequeñas nanopartículas no giratorias pueden levitar de manera estable en un campo magnético". "Las propiedades mecánicas cuánticas que no son perceptibles en el mundo macroscópico pero que influyen fuertemente en los nanoobjetos son responsables de este fenómeno", dice Oriol Romero. -Isart.
Los físicos teóricos llevaron a cabo análisis integrales de estabilidad en función del radio del objeto y la fuerza del campo magnético externo. Los resultados mostraron que, en ausencia de disipación, aparece un estado de equilibrio. Este mecanismo se basa en el efecto giromagnético: cuando se produce un cambio en la dirección del campo magnético, se produce un momento angular debido a que el momento magnético se acopla con el giro de los electrones. "Esto estabiliza la levitación magnética del nanomagnet", explica el primer autor Cosimo Rusconi. Además, los investigadores demostraron que el estado de equilibrio de nanomagnets magnéticamente levitados exhibe el enredo de sus grados de libertad.
Nuevo campo de investigación
Oriol Romero-Isart y su equipo son optimistas de que estos nanoimanes levitados pronto puedan ser observados experimentalmente. Han hecho sugerencias sobre cómo se podría lograr esto en condiciones realistas. Los nanomagnetos levitados son un nuevo campo de investigación experimental para los físicos. Los estudios de nanomagnets en condiciones inestables podrían conducir al descubrimiento de fenómenos cuánticos exóticos. Además, después de acoplar varios nanomagnets, el nano magnetismo cuántico podría ser simulado y estudiado experimentalmente. Los nanomagnets levitados también son de gran interés para aplicaciones técnicas, por ejemplo para desarrollar sensores de alta precisión.
Teóricamente, demostramos que, a pesar del teorema de Earnshaw, una nanopartícula de dominio magnético único no giratorio puede ser levitada de forma estable en un campo magnético estático externo. La estabilización se basa en el origen del giro cuántico de la magnetización, es decir, el efecto giromagnético. Predijimos la existencia de dos fases estables relacionadas con el efecto de Einstein-de Haas y la precesión de Larmor. En un punto estable, derivamos un hamiltoniano cuadrático que describe las fluctuaciones cuánticas de los grados de libertad del sistema. Mostramos que, en ausencia de fluctuaciones térmicas, el estado cuántico del nanomagnet en el punto de equilibrio contiene enredos y exprimidos.
Teóricamente, estudiamos la levitación de una única nanoesfera de dominio magnético en un campo magnético estático externo. Mostramos que, aparte de la estabilidad proporcionada por la rotación mecánica del nanomagnet (como en el Levitron clásico), el origen de giro cuántico de su magnetización proporciona dos mecanismos adicionales para levitar de manera estable el sistema. A pesar del teorema de Earnshaw, tales fases estables están presentes incluso en ausencia de rotación mecánica. Para grandes campos magnéticos, la precesión de Larmor del momento magnético cuántico estabiliza el sistema en plena analogía con el atrapamiento magnético de un átomo neutro. Para campos magnéticos bajos, la anisotropía magnética estabiliza el sistema a través del efecto Einstein-de Haas. Estos resultados se obtienen con un análisis de estabilidad lineal de una única nanoesfera rígida de dominio magnético con anisotropía uniaxial en un campo magnético Ioffe-Pritchard.
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