La catálisis magnética es un fenómeno físico, que se define como una mejora de la simetría dinámica rompiendo por un campo magnético externo en la teoría cuántica de campos , utilizado para la descripción de ( cuasi )partículas cuánticas en física de partículas , física nuclear y física de la materia condensada . El fenómeno subyacente es una consecuencia de la fuerte tendencia de un campo magnético a mejorar la unión de partículas con cargas opuestas en estados unidos. El efecto catalizador proviene de una restricción parcial (reducción dimensional) del movimiento de las partículas cargadas en direcciones perpendiculares a la dirección del campo magnético. Comúnmente, la catálisis magnética se asocia específicamente con la ruptura espontánea del sabor o simetría quiral en la teoría cuántica de campos, que se ve potenciada o desencadenada por la presencia de un campo magnético externo.
El mecanismo subyacente detrás de la catálisis magnética [1] es la reducción dimensional de partículas de espín 1/2 cargadas de baja energía . [2] Como resultado de tal reducción, existe una fuerte mejora del par partícula-antipartícula responsable de la ruptura de la simetría. Para las teorías de calibre en dimensiones espacio-temporales 3+1, como la electrodinámica cuántica y la cromodinámica cuántica , la reducción dimensional conduce a una dinámica efectiva de baja energía (1+1)-dimensional. (Aquí la dimensionalidad del espacio-tiempo se escribe como D+1 para D direcciones espaciales). En términos simples, la reducción dimensional refleja el hecho de que el movimiento de las partículas cargadas está (parcialmente) restringido en las dos direcciones espaciales perpendiculares a el campo magnético. Sin embargo, esta restricción del movimiento orbital por sí sola no es suficiente (por ejemplo, no existe una reducción dimensional para las partículas escalares cargadas que tienen espín 0, aunque su movimiento orbital está restringido de la misma manera). También es importante que los fermiones tengan espín 1 /2 y, como se desprende del teorema del índice Atiyah-Singer , sus estados de nivel Landau más bajos tienen una energía independiente del campo magnético. (La energía correspondiente desaparece en el caso de partículas sin masa). Esto contrasta con las energías en los niveles superiores de Landau, que son proporcionales a la raíz cuadrada del campo magnético. Por lo tanto, si el campo es suficientemente fuerte, sólo los estados del nivel más bajo de Landau son dinámicamente accesibles a bajas energías. Los estados en los niveles superiores de Landau se desacoplan y se vuelven casi irrelevantes. El fenómeno de la catálisis magnética tiene aplicaciones en física de partículas, física nuclear y física de materia condensada.
En la teoría de la cromodinámica cuántica, la catálisis magnética se puede aplicar cuando la materia de los quarks está sujeta a campos magnéticos extremadamente fuertes. [3] Estos campos magnéticos fuertes pueden provocar efectos más pronunciados de ruptura de la simetría quiral , por ejemplo, conducir a (i) un valor mayor del condensado quiral, (ii) una masa dinámica (constituyente) mayor de quarks , (iii) mayor masas de bariones , (iv) constante de desintegración de piones modificada , etc. Recientemente, ha habido una mayor actividad para verificar los efectos de la catálisis magnética en el límite de un gran número de colores, utilizando la técnica de correspondencia AdS/CFT. [4] [5] [6]
La idea de catálisis magnética se puede utilizar para explicar la observación de nuevas mesetas cuánticas de Hall en grafeno en campos magnéticos fuertes más allá de la secuencia anómala estándar en factores de llenado ν=4(n+½) donde n es un número entero. Las mesetas cuánticas adicionales de Hall se desarrollan en ν=0, ν=±1, ν=±3 y ν=±4.
El mecanismo de catálisis magnética en sistemas planos de tipo relativista como el grafeno es muy natural. De hecho, se propuso originalmente para un modelo dimensional 2+1, que es casi lo mismo que la teoría efectiva de baja energía del grafeno escrita en términos de fermiones de Dirac sin masa. [7] En su aplicación a una sola capa de grafito (es decir, grafeno), la catálisis magnética desencadena la ruptura de una simetría interna aproximada y, por lo tanto, eleva la degeneración cuádruple de los niveles de Landau. [8] [9] Se puede demostrar que ocurre en fermiones relativistas sin masa con interacciones repulsivas débiles. [10]