La creazione di un monopolo magnetico sintetico ad opera di scienziati dello statunitense Amherst College e della finlandese Aalto University, descritta in un articolo appena pubblicato su Nature, rappresenta un importante passo nella fondamentale quanto potenzialmente rivoluzionaria questione circa l’esistenza dei monopoli magnetici. «Non succede tutti i giorni di creare l’analogo di un’elusiva particella fondamentale in condizioni altamente controllate in laboratorio. Questo dovrebbe aiutarci a gettare una luce nuova su alcuni aspetti del monopolo magnetico naturale» afferma il professor David S. Hall dell’Amherst College.
«La sintesi del monopolo è il punto di partenza per molti avanzamenti nella ricerca della fisica quantistica. In futuro cercheremo una più completa corrispondenza con il monopolo magnetico naturale» gli fa eco il collega Mikko Möttönen della Aalto University. L’ambìto monopolo magnetico naturale, finora inosservato, sarebbe una sorgente per il campo magnetico analoga a quella che l’elettrone è per il campo elettrico. In altre parole, l’elettrone è una particella puntiforme che porta con sé la minima quantità di carica elettrica, il monopolo magnetico sarebbe un particella che porterebbe con sé la minima quantità di “carica magnetica”. Ad oggi tale entità non è mai stata osservata. Le sorgenti del campo magnetico, dai magneti macroscopici alle sorgenti di campo magnetico di dimensioni atomiche, si comportano allo stesso modo, che è quello familiare delle calamite: hanno un polo nord e un polo sud, ciascuno dei quali attira il polo opposto delle altre calamite, ma che non si riesce ad isolare.
Se infatti si spezza una calamita, non si ottiene un pezzo che è “solo polo nord” e un pezzo che è “solo polo sud”: immediatamente, invece, si creano altre due calamite, ciascuna con un polo nord e un polo sud. L’interesse teorico del monopolo magnetico è stato messo in luce già ottanta anni fa dal premio Nobel Paul Dirac. La sua eventuale esistenza, se da una parte modificherebbe le equazioni di Maxwell che sono alla base delle onde elettromagnetiche, d’altra parte, come osservava Dirac, è ammessa in una teoria elettromagnetica che rispetti sia il principio fondamentale di tutta la fisica teorica moderna, una proprietà matematica dei campi detta invarianza di gauge, che la struttura dinamica indicata dalla meccanica quantistica. In questo contesto il monopolo magnetico sarebbe anche responsabile della quantizzazione della carica elettrica.
Si potrebbero indagare più a fondo le implicazioni teoriche dell’esistenza dei monopoli magnetici, per esempio nella descrizione della storia dei primi attimi dell’universo o le implicazioni per la teoria delle stringhe; si potrebbero descrivere le teorie secondo cui il contenuto di energia di un singolo monopolo elementare sarebbe capace di far camminare un’auto elettrica per diversi chilometri, il che spiegherebbe la non osservazione dei monopoli ad LHC. Ma quello che qui pare più urgente delineare è il contesto sperimentale in cui la scoperta è avvenuta e comprendere la differenza tra il monopolo naturale e quello sintetico creato. Il monopolo sintetico è stato creato in un condensato di Bose-Einstein, una struttura quantistica che si comporta come un singolo atomo pur contenendone milioni. Il metodo utilizzato per crearlo, già ideato nel 2009 alla Aalto University da Ville Pietilä e dal su citato Mikko Möttönen, consiste nell’utilizzo di un campo magnetico esterno per guidare gli spin degli atomi che formano il condensato. Il monopolo sintetico si forma nel campo magnetico artificiale del condensato. Si capisce qui la differenza tra il monopolo sintetico e quello naturale: il monopolo sintetico è un “fenomeno emergente” in un sistema di molte particelle, gli atomi del condensato di Bose-Einstein, “la finestra dal nostro mondo nel mondo delle meraviglie quantistiche”, come lo definisce uno stupefatto Möttönen.