Electrodynamics and phase transitions in materials with magnetic monopoles / Fernando Ignacio López Bara ; director Fernando M. López Aguilar.
López Bara, Fernando, autor.
López Aguilar, Fernando, supervisor acadèmic.
Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física.

Imprint: [Barcelona] : Universitat Autònoma de Barcelona, 2019.
Description: 1 recurs en línia (141 pàgines)
Abstract: El trabajo está dirigido a analizar dos aspectos que están intrínsecamente relacionados. El primero se refiere al estudio de los estados globales y característicos de las estructuras magnéticas de los compuestos denominados "spin-ices" y el segundo se analizan los comportamientos bajo interacción electromagnética en medios infinitos y en sistemas confinados. La principal novedad de estos compuestos es la existencia de estados excitados globales a bajas temperaturas en los cuales surgen entidades estructurales que mimetizan el comportamiento de monopolos magnéticos. En la primera parte del trabajo, los estados excitados de baja temperatura son estudiados en compuestos del tipo (ETR)₂Ti₂ O₇, dónde ETR se refiere a uno de los diversos lantánidos, principalmente Dy₂Ti₂O₇ y Ho₂Ti₂O₇ . A temperaturas comprendidas entre 0. 05K a 0. 17K, hay una transición de fase con características similares a un condensado Bose-Einstein cuyos componentes individuales están constituidos por dipolos magnéticos (dos monopolos, una carga magnética positiva y la otra negativa conectados por la interacción Coulombiana y separados por una distancia equivalente a la altura de cada tetraedro de la estructura cristalina la cual es descrita en el texto). Al incrementar la temperatura, dichos dipolos se rompen formando un plasma magnético de cargas positivas y negativas libres o cuasi libres cuya estadística es del tipo Fermi-Dirac. Los procesos de transición termodinámica son descritos por modelos analíticos para estados excitados de baja energía y la descripción de las sucesivas transiciones de fase. Se han determinado los potenciales termodinámicos, calor específico y entropía con los cuales se pueden mostrar las posibles transiciones de fase que ocurren en estos compuestos. En la segunda parte, se realiza un análisis de las ecuaciones de Maxwell modificadas, así como de la fuerza de Lorentz generalizada ante la presencia de estas cargas magnéticas. La solución de estas ecuaciones nos permite obtener resultados que podrían tener interés empírico con tal de detectar monopolos magnéticos en otros compuestos naturales. Se ha estudiado la propagación transversal electromagnética en estos materiales al añadir un intenso campo eléctrico externo que permite deducir la densidad de monopolos por unidad de volumen y la masa efectiva de los mismos. Hemos deducido las soluciones de las ecuaciones duales de Maxwell en medios confinados con simetrías rectangular y cilíndrica. En dichos medios en fase de plasma magnético, se ha obtenido la ecuación no lineal del parámetro de orden del sistema. Las características y propiedades de las soluciones de las ecuaciones de Maxwell modificas han sido determinados en los modos TM, obteniendo la conductividad magnética como una función dependiente de la frecuencia (llamada Magnetricidad); susceptibilidad magnética, tanto como picos de absorción electromagnética, y otras variables como la frecuencia de precesión y la frecuencia característica del plasma o frecuencia del plasmón. El poder obtener dichas frecuencias no ha permitido determinar la masa específica de estas cuasi partículas, siendo básica esta magnitud física para determinar y justificar las propiedades de conducción. El objetivo fundamental de esta parte ha sido poder realizar un análisis sistemático para detectar en otros materiales la presencia de posibles cargas magnéticas efectivas que pudieran aparecer en otros compuestos artificiales a temperatura ambiente, con el interés práctico que esta novedad podría implicar. Por tanto, la finalidad de la segunda parte de la tesis es encaminar un futuro estudio de posibles nuevos materiales que permitiesen construir dispositivos "magnetrónicos" que posibilitaran la transmisión de energía e información.
Abstract: The work is addressed to analyze two parts that are intimately related. The first one refers to studying the global states and characteristics of their magnetic structures of the compounds called spin-ices and in the second part the behaviors under the electromagnetic interaction in infinite media and in confined systems are analyzed. The main novelty in these compounds is the existence of excited global states at low-temperatures in which structural entities that mimic the behavior of magnetic monopoles arise. In the first part, the low temperature excited states or quasiparticles are studied in compounds of the type (REE)₂Ti₂ O₇, where REE refers to one of the 15 lanthanides, fundamentally Dy₂Ti₂O₇ andHo₂Ti₂O₇. At these temperatures (between 0. 05 K and 0. 17 K) there is a phase transition with characteristics similar to a Bose Einstein condensate whose individual components are in the form of magnetic dipoles (two monopoles, one with positive magnetic charge and the other negative connected by the "Coulomb interaction" and separated by a distance equivalent to the high of each tetrahedron of the crystalline structure which we described in the text). By increasing the temperature, said dipoles are broken forming a magnetic plasma of free and quasi-free positive and negative magnetic charges whose statistic is of the Fermi-Dirac type. The thermodynamic transition processes are described by analytical models for low energy excitation states and we describe the successive phase transitions. We determine the thermodynamic potentials, specific heat and entropy in which we can show the two possible phase transitions that occur in these compounds. In the second part, we make an analysis of the modified Maxwell equations as well as the generalized Lorentz force in the presence of these magnetic charges. The solution of these equations allows us to obtain data that may have empirical interest in order to detect magnetic monopoles in other natural compounds. We study the transverse electromagnetic propagation in these materials by adding a strong external electric field with which we deduce the density of monopoles per unit volume and the effective mass of the same. We deduce the solutions of these dual Maxwell equations in confined media with rectangular and circular symmetries. In these media in the magnetic plasma phase we obtain the non-linear equation of the system order parameter. The characteristics and properties of the solutions of the modified Maxwell equations are determined in the form of TM modes, obtaining magnetic conductivity as a function of frequency (called magnetricity), magnetic susceptibility, as well as peaks in electromagnetic absorption and other data such as the frequencies of precession and the characteristic frequency of plasma or frequency of plasmon. The achieving of these two frequencies allows us to determine the specific mass assigned to these quasiparticles, being physical magnitude is basic for determining and justifying the conduction properties. The fundamental objective of this part is to perform a systematic analysis to detect in other materials the presence of these possible effective magnetic charges that may appear and have appeared in other artificial compounds even at room temperature, with the practical interest that this novelty may have. The last objective of this second part of the thesis is to make a prospective to study the possibilities of new materials with which to build "magnetronic" devices that allow to transmit energy and information.
Note: Tesi. Doctorat. Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física. 2018.
Rights: L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: Creative Commons
Language: Anglès.
Document: Tesis i dissertacions electròniques. ; doctoralThesis ; publishedVersion
Subject: Electrodinàmica. ; Monopols magnètics.
ISBN: 9788449080795

Adreça alternativa: https://hdl.handle.net/10803/665231


142 p, 2.1 MB

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Research literature > Doctoral theses

 Record created 2019-03-11, last modified 2019-03-16



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