Monopole Forscher entdecken lang gesuchte Magnetismus-Exoten

Sie sind wie Yin und Yang: Nord- und Südpol eines Magneten können nur zusammen auftreten. Doch einem Forscherteam mit deutscher Beteiligung ist es nun zum ersten Mal gelungen, diese Regel außer Kraft zu setzen - und sogenannte magnetische Monopole herzustellen.

"Spin-Spaghetti": An den Enden bildeten sich jeweils magnetische Monopole
HZB / D.J.P. Morris & A. Tennant

"Spin-Spaghetti": An den Enden bildeten sich jeweils magnetische Monopole


Berlin - Es ist wie verhext. Wenn man einem Stabmagneten mit Werkzeug zu Leibe rückt, um ihn zu teilen, dann erreicht man rein gar nichts. Ein einzelner Nord- oder Südpol lässt sich partout nicht herstellen, so oft man es auch versucht. Auch die Bruchstücke haben immer einen Nord- und Südpol, die Magneteigenschaft tritt also immer gepaart auf. Und doch haben Physiker jahrzehntelang genau nach diesen sogenannten magnetischen Monopolen gesucht.

Vorhergesagt wurde ihre Existenz zum Beispiel von Paul Dirac, einem der Mitbegründer der Quantenmechanik. Ein internationales Team, an dem auch deutsche Forscher entscheidend mitbeteiligt sind, hat es nun zum ersten Mal geschafft, die gedanklich nur schwer fassbaren magnetischen Monopole zu erzeugen - also einzelne Nord- und Südpole. Die Wissenschaftler um Jonathan Morris vom Helmholtz-Zentrum für Materialien in Berlin haben ihre Erkenntnisse auf der Web-Seite des Fachmagazines "Science" veröffentlicht. "Das ist das erste Mal, dass eine physikalische Eigenschaft in drei Dimensionen geteilt wurde", frohlockt Jonathan Morris im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE.

In einem Experiment im Jahr 1982 hatten US-Forscher ihrer Ansicht nach magnetische Monopole erzeugt - doch der Befund konnte nie nachvollzogen werden. Im vergangenen Jahr hatte dann der Dresdner Physiker Roderich Moessner, einer der Co-Autoren des aktuellen Arbeitspapiers, in einem Artikel im Fachmagazin "Nature" sozusagen die Blaupause für die Suche nach den wundersamen Gebilden geliefert. Sie seien unter bestimmten Bedingungen in sogenannten Spin-Eis-Materialien zu finden, sagte der Forscher voraus. Das sind Verbindungen mit einem Kristallgitter aus Tetraedern, die an den Ecken verknüpft sind. Die Atome im Gitter befolgen dabei dieselben Ordnungsregeln wie Wasserstoffatome im Wassereis.

"Spin-Spaghetti" mit Magnetfeld entwirrt

"Wir haben nun den experimentellen Beweis für den vorgestellten Mechanismus geliefert", sagt Jonathan Morris. Sein Team nutzte für seinen praktischen Nachweis der magnetischen Monopole in der Tat eine Spin-Eis-Substanz, und zwar einen ein Zentimeter langen Kristall der anorganischen Verbindung Dysprosium-Titanat. Die Wissenschaftler beschossen die Substanz am Berliner Forschungsreaktor mit Neutronen, die an der Kristallstruktur gestreut wurden. Das half den Forschern, Rückschlüsse auf die magnetische Strukturen in der Verbindung ziehen zu können.

In Computersimulationen machten die Physiker verschlungene und ineinander verdrehte Strukturen sichtbar, die als "Spin-Spaghetti" bezeichnet werden. Durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes brachten die Forscher diese Spaghetti dazu, sich teilweise zu entwirren, wobei sich an den Enden jeweils magnetische Monopole bildeten.

Die entdeckten Phänomene sind keine neuen Teilchen, die physikalischen Lehrbücher müssen also nicht umgeschrieben werden. Vielmehr entstehen sie durch das Zusammenspiel zahlreicher Atome im Spin-Eis. Roderich Moessner hat zur Illustration im vergangenen Jahr den Vergleich mit einer Wasserwelle genutzt: Einzelne Wassermoleküle könnten keine Welle hervorbringen, sehr viele gemeinsam hingegen schon. So verhalte es sich auch im Spin-Eis.

Mit dem experimentellen Nachweis ist nun auch die Richtigkeit der Vermutungen von Paul Dirac belegt, der die magnetischen Monopole allerdings nicht in einem Kristall, sondern im freien Raum vermutet hatte. Als er 1931 das Konzept der magnetischen Monopole vorstellte, hatte sich der Brite übrigens nicht zuletzt von Symmetriebetrachtungen leiten lassen: Bei der anderen elementaren Größe der Elektrodynamik, der elektrischen Ladung, ist eine Trennung nämlich möglich: Die elektrischen Ladungsträger, die Elektronen, existieren auch einzeln und zeigen sich damit als elektrische Monopole.

Somit, so Dirac, sollte ein solches Phänomen auch bei magnetischen Feldern möglich sein. Wie es aussieht, hatte er Recht, wie die aktuellen Ergebnisse zeigen.

Hinweis der Redaktion: In einer früheren Version des Textes hieß es fälschlicherweise, Paul Dirac sei Franzose gewesen. Tatsächlich hatte er jedoch die britische Staatsbürgerschaft.

chs/ddp

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