Orden y dinámica en hielos de spin

Abstract

Los hielos de spin son sistemas magnéticos frustrados en los que los momentos magnéticos tipo Ising habitan una red de tetraedros que comparten sus vértices. Su estado fundamental es cuasidegenerado, abarcando todas las configuraciones en las que dos spines apuntan hacia adentro y dos hacia afuera de cada tetraedro. El número de configuraciones crece exponencialmente con el tamaño del sistema, obteniéndose una entropía residual finita cercana a la entropía de Pauling en el hielo convencional. Los defectos en la estructura magnética del estado fundamental se asemejan a cargas magnéticas (monopolos) que interactúan entresí Coulombianamente. Estas excitaciones topológicas sólo pueden abandonar el sistema a través de sus paredes, o destruirse al combinarse con monopolos de carga opuesta. Así, los monopolos pueden pensarse como partículas interactuantes que viven en los hielos de spin, capaces de conformar nuevos estados (fluidos y sólidos) de la materia: la materia de monopolos.En esta tesis, estudiamos el comportamiento dinámico y Termodinámico de los hielos de spin y sistemas afines desde la óptica de la materia de monopolos. En todos los casos trabajamos sobre redes de spines, para luego interpretar los resultados en términos de cargas. De este modo, describimos nuevas fases ordenadas y desordenadas de la materia y echamos luz sobre un aspecto que trasciende las interacciones mutuas: el efecto de las correlaciones posicionales. Apoyándonos en esto último, estudiamos la aparición de orden al subir la temperatura en la contraparte antiferromagnética de estos sistemas (en la que los monopolos son parte constitutiva del estado fundamental) y proponemos materiales y experimentos para observar por primera vez orden por desorden clásico. Finalmente, explicamos las particularidades de la dinámica de los hielos de spin con campo magnético aplicado a partir de la creación, aniquilación y desplazamiento de monopolos.

Spin ices are frustrated magnetic systems in which Ising magnetic moments occupy a lattice of corner-sharing tetrahedra. Their gound state is quasidegenerated, encompassing all the configurations in which two spins point inwards and two point outwards of each tetrahedron. The number of configurations grows exponentially with the size of the system, giving rise to a finite entropy at zero temperature equal to Pauling’s entropy in conventional ice. Defects in the magnetic structure of the ground state resemble magnetic charges (monopoles) that interact via a Coulomb law. These topological excitations can only leave the system through its walls, or be destroyed when combined with oppositely charged monopoles. Thus, monopoles can be thought of as interacting particles that live in spin ices, capable of forming new states (fluid and solid) of matter: the monopole matter. In this thesis, we study the dynamic and thermodynamic behavior of spin ices and related systems from the point of view of the monopole matter. In all cases we work on spin lattices and then interpret the results in terms of charges. In this way, we describe new phases –ordered and disordered– of matter and shed light on an aspect that transcends mutual interactions: the effect of positional correlations. With this in mind, we study the appearance of order with increasing temperature in the antiferromagnetic counterpart of these systems (in which monopoles become a constituent part of the ground state) and propose materials and experiments to observe classical order by disorder for the first time. Finally, we explain the particularities of spin-ice dynamics under applied magnetic fields in terms of the creation, annihilation and displacement of monopoles.