Magnetische Monopole in magnetischem Festkörper entdeckt

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) haben in Kooperation mit Kollegen aus Dresden, St. Andrews (UK), La Plata (Argentinien) und Oxford (UK) erstmals magnetische Monopole nachgewiesen sowie deren Erzeugung in fester Materie beobachtet. Sie veröffentlichen dies in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Science, die den Beitrag am 3. September als online-Ausgabe vorab publiziert.

Bastian Klemke und Jonathan Morris am Experimentierplatz
E2 des Berliner Forschungsreaktors am HZB
(Flat-Cone Single Crystal Diffractometer).

Als magnetischen Monopol bezeichnen Physiker hypothetische Teilchen, die nur einen magnetischen Pol tragen, also entweder nur magnetischer Nordpol oder nur magnetischer Südpol sind. In der Welt der Materie ist dies ganz und gar ungewöhnlich, denn normalerweise treten magnetische Teilchen nur als Dipol auf, d. h. Nord- und Südpol gemeinsam. Trotzdem existieren einige Theorien, welche die Existenz von Monopolen als Quelle von Magnetfeldern vorhersagen. Unter anderem hat 1931 der Physiker Paul Dirac aus Berechnungen abgeleitet, dass magnetische Monopole am Ende von sogenannten Dirac-Strings  existieren müssten. Diese kann man sich als Schläuche vorstellen, die das magnetische Feld tragen. Nachgewiesen wurden magnetische Monopole bislang nicht.

Jonathan Morris, Alan Tennant und Kollegen (HZB) führten ein Neutronenstreuexperiment am Berliner Forschungsreaktor durch. Das Untersuchungsmaterial war ein Kristall aus Dysprosium-Titanat. Dieser Stoff kristallisiert in einer ganz bestimmten Geometrie, einem so genannten Pyrochlor-Gitter. Mithilfe der Neutronenstreuung konnten Morris und Tennant zeigen, dass die magnetischen Momente im Inneren des Materials als sogenannte „Spin-Spaghetti“ angeordnet sind. Dieser Name kommt von der Ausrichtung der Dipole, die ein Netzwerk aus gewundenen Röhren (Strings) bilden, durch das der magnetische Fluss transportiert wird. Dies kann man durch die Wechselwirkung mit Neutronen sichtbar machen, da diese selbst ein magnetisches Moment tragen.

Während der Neutronenmessungen haben die Forscher zugleich ein Magnetfeld angelegt. Mit diesem Feld konnten sie die Symmetrie und die Orientierung der Strings beeinflussen. Dadurch wurde es möglich, die Dichte des String-Netzwerks zu reduzieren und die Anzahl der Monopole zu verringern. Als ein Ergebnis wurden bei einer Temperatur von 0,6 bis 2 Kelvin die Strings mit den magnetischen Monopolen an ihren Enden sichtbar.

Die charakteristischen Merkmale dieser magnetischen Monopole wurden ebenso in Messungen der Wärmekapazität an Dysprosium-Titanat, durchgeführt von Bastian Klemke (HZB), beobachtet. Diese liefern eine weitere Bestätigung der Existenz von magnetischen Monopolen und zeigen, dass sie ähnlich wie elektrische Ladungen wechselwirken können.


Ein Teil des Forscherteams am Experimentierplatz E2 des Berliner Forschungsreaktors am HZB (v.l.n.r. Kirrily Rule, Jonathan Morris und Bastian Klemke).

In dieser Arbeit beweisen die Forscher erstmals, dass die von Dirac vorhegesagten Monopole tatsächlich in Festkörpern existieren. Sie entstehen durch eine spezielle Anordnung der Dipole und unterscheiden sich vollkommen von den üblichen Eigenschaften magnetischer Materialien. Doch neben dieser grundlegenden Erkenntnis betont Jonathan Morris vor allem die weitergehende Bedeutung der Resultate: „Wir beschreiben neue, fundamentale Eigenschaften von Materie. Sie sind allgemeingültig für Materialien mit derselben Topographie, also Stoffe mit magnetischen Momenten im Pyrochlor-Gitter. Für die Entwicklung neuer Technologien könnte dies von großer Bedeutung sein. Vor allem sei hervorzuheben, dass erstmals eine magnetische Fraktionalisierung in drei Dimensionen beobachtet wurde“.

3D-Simulation des kegelförmigen Streubilds der Dirac-Strings.

Veranschaulichung der “Spin-Spaghetti” aus Dirac-Strings.


Berlin, 03. September 2009