Observada la simetría E8 en un imán ultra frío

Simetría E8 observada en un imán

Una inusual forma de simetría conocida como E8 – que algunos físicos creen que subyace a una Teoría del Todo – puede haber sido observada en un material sólido por primera vez.

Físicos de Alemania y el Reino Unido afirman haber demostrado que el grupo de simetría de 8D describe el espectro de configuraciones de espín que surge cuando una cadena de espín 1D se enfría hasta casi el cero absoluto y se somete a un campo magnético específico.

El trabajo experimental también confirma la vieja predicción del espectro en un campo magnético cero.

La simetría desempeña un papel fundamental en nuestra comprensión del mundo físico. Tal vez la más intrigante de todas es la E8 – básicamente una red diamantina de 8D de esferas en la cual cada esfera está rodeada por otras 240.

E8 saltó a la fama en 2007 cuando el físico autónomo estadounidense Garrett Lisi, que tenía un insólito trabajo diurno como surfero en Hawai, publicó un artículo en arXiv sugierendo que E8 podría ser un pilar de una Teoría del Todo, conteniendo todas las partículas conocidas y cómo interactuan entre sí.

No obstante, E8 había fascinado a los investigadores mucho antes del artículo de Lisi. En 1988 el físico ruso Alexander Zamolodchikov demostró que la simetría E8 podría – bajo ciertas condiciones – también describir el espectro de excitaciones de espín que tienen lugar en ferroimanes Ising 1D.

Estos son cadenas de espines en las cuales cada espín sólo puede interactuar con sus dos vecinos más cercanos.

Por debajo de una temperatura crítica, los espines vecinos tienden a alinearse perpendicularmente a la dirección de la cadena en una de dos direcciones (arriba o abajo).

Fluctuaciones cuánticas

Si se aplica un campo magnético perpendicular a los espines, fomentará que los espines cambien espontáneamente – o tunelicen – entre arriba y abajo.

Tales fluctuaciones pueden propagarse a través de un material de la misma forma que una partícula y por esto se las conoce como cuasi-partículas.

Estas fluctuaciones cuánticas tienen lugar incluso a temperatura cero y, si el campo es lo bastante potente, el ferromagnetismo se destruye en una transición de fase cuántica.

Ahora, Radu Coldea de la Universidad de Oxford y sus colegas del Helmholtz Zentrum Berlin (HZB), la Universidad de Bristol y el Laboratorio Rutherford Appleton han medido las energías de varias de estas cuasi-partículas. Hicieron esto enfriando una muesta de niobato de cobalto a 40 mK y disparando neutrones sobre ella para crear cuasi-partículas.

Cuando esto sucede, el espín y la energía de los neutrones dispersados cambia en relación al rayo incidente en una cantidad que puede usarse para calcular las energías de las cuasi-partículas.

Cuando se realizó el experimento con un campo magnético cero, se observaron cinco cuasi-partículas.

Sus energías no están descritas por E8, sino por una fórmula matemática derivada hace tres décadas por Barry McCoy y Tai Tsun Wu. McCoy, que actualmente está en la Universidad Stony Brook en Nueva York, dijo a physicsworld.com que estaba “muy impresionado con el experimento y absolutamente satisfecho de ver que nuestra predicción de 1978 había sido observada experimentalmente”.

Proporción aúrea

Coldea y sus colegas repitieron sus medidas en un campo magnético. Conforme se incrementaba la fuerza del campo eléctrico hasta el valor crítico cuántico de 5,5 T, la proporción de energías de las dos primeras cuasi-partículas se aproximaba a 1,618.

Este número es la “proporción áurea” y es precisamente lo que debería medir si las cuasi-partículas están descritas por E8 – una predicción que se hizo hace más de 20 años por parte de Zamolodchikov, ahora en la Universidad de Rutgers.

Desafortunadamente, el equipo fue incapaz de estudiar el sistema en el campo crítico cuántico – donde debería surgir E8 – debido a que sólo podían resolver la cuasi-partículas de menor energía por encima de aproximadamente 5 T.

Aunque E8 predice un total de ocho cuasi-partículas, McCoy cree que será difícil usar neutrones para ver las cuasi-partículas de energías superiores.

Esto se debe a que sus energías solapan una región dominada por una dispersión continua implicando a dos o más cuasi-partículas.

by.Kanija