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Magnetismus Die Scheidung von Nord- und Südpol

In einem ungewöhnlichen Material scheint das Naturgesetz, dass magnetische Pole nur im Doppelpack auftreten, nicht zu gelten. Berliner Physiker entdecken im Spin-Eis Monopole. Von Christian Meier

07.09.2009 00:09
Christian Meier

Seit Jahrzehnten sind Physiker auf der Suche nach etwas, das es dem Schulunterricht zufolge gar nicht gibt: einen magnetischen Pol, der ohne seinen Gegenpart auskommt; also ein Nord- ohne Südpol oder umgekehrt. Denn solche Einzelgänger, so genannte magnetische Monopole, könnten laut theoretischen Physikern beim Urknall entstanden sein.

Doch die Monopol-Suche blieb bislang erfolglos. Selbst der inzwischen verstorbene Physiker Paul Dirac, der in den 30er-Jahren die Existenz magnetischer Monopole voraussagte, soll Anfang der 80er-Jahre den Glauben an einzelne Nord- und Südpole aufgegeben haben.

Nicht so der Physiker Roderich Moessner vom Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden. Er und seine Kollegen Claudio Castelnovo von der University of Oxford und Shivaji Sondhi von der Princeton University in den USA schlugen im vergangenen Jahr im Magazin Nature vor, ungewöhnliche Kristalle, das sogenannte Spin-Eis, nach magnetischen Monopolen zu durchsuchen. Dieses habe, so behaupteten die drei Physiker, derart ungewöhnliche magnetische Eigenschaften, dass sich in seinem Inneren magnetische Monopole bildeten.

Nun zeigte eine Berliner Forschergruppe, dass das Trio Recht hatte: Mithilfe von Neutronenstrahlen wiesen sie die Monopole in der Substanz Dysprosiumtitanat, ein Spin-Eis, nach. Darüber berichten Forscher um David Morris vom Berliner Helmholtz-Zentrum (HZB) im Magazin Science.

Wie eine Spur im Schnee

Um die Monopole nachzuweisen sendeten sie Neutronen aus dem Berliner Forschungsreaktor am HZB durch das Material. Weil Neutronen magnetisch sind, werden sie von den magnetischen Feldern im Innern eines Festkörpers abgelenkt. Die Ablenkungsrichtung hängt von der Struktur dieser Felder ab - so lässt sich der Magnetismus einer Probe vermessen. Moessner und seine Kollegen hatten vorhergesagt, dass im Spin-Eis Nord- und Südpole in direkter Nachbarschaft zueinander entstehen, und sich dann voneinander entfernen. Hierbei bewegten sie sich frei und unabhängig voneinander durch den Kristall.

Der Weg, den sie dabei gehen, bleibt in Form eines Magnetfeldes erkennbar, wie eine Spur im Schnee. Diese magnetische Verbindungslinie zwischen den Monopolen haben beide Forschergruppen mithilfe der Neutronen nachgewiesen, was ein Beweis für die Monopole selbst ist.

Die Geschichte der magnetischen Monopole reicht etwa 150 Jahre zurück. Zwischen 1861 und 1864 formulierte der britische Forscher James Clerk Maxwell die Theorie des Elektromagnetismus. Er zeigte, dass Elektrizität und Magnetismus sich gegenseitig bedingende Phänomene sind. Sie ergänzen sich wie das Yin und Yang der fernöstlichen Philosophie. Doch die Harmonie ist nicht perfekt.

Die Gegensätze in der Elektrizität, negative und positive elektrische Ladungen, sitzen auf unterschiedlichen Teilchen; die einen auf Elektronen, die anderen auf Protonen. Die Teilchen lassen sich räumlich beliebig weit voneinander trennen und einzeln beobachten. Daher stellen sie elektrische Monopole dar. In der Welt des Magnetismus gibt es keine Entsprechung dafür. Nach heutiger Kenntnis gibt es keine magnetischen Elementarteilchen, die entweder einen Nord- oder einen Südpol tragen.

Die ersten magnetischen Einzelgänger

Daran ändert auch die Entdeckung der Monopole im Spin-Eis nichts. Denn sie beweist nicht, dass es außerhalb des Materials ebenfalls Monopole gibt. Moessner betrachtet das Spin-Eis vielmehr als eine Art Universum im Sandkorn, in dem es Phänomene gibt, die im Rest der Welt fehlen.

"Die Monopole sind das Ergebnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen den Elektronen und Atomen in der einzigartigen Kristallstruktur des Spin-Eises", sagt Moessner. Sie seien mit Wasserwellen vergleichbar, die durch die kollektiven Bewegungen sehr vieler Wassermoleküle entstünden.

Obwohl die Monopole unabhängig von den Spins und Atomen im Spin-Eis nicht existieren können, verhalten sie sich wie frei bewegliche, also unabhängige Teilchen, die entweder einen magnetischen Nord- oder Südpol tragen. Sie sind daher so genannte Quasiteilchen, aber eben keine Elementarteilchen.

Die Spin-Eis-Monopole lassen sich trotzdem als ein Erfolg der Monopolsuche werten. Sie sind die ersten magnetischen Einzelgänger, die nachgewiesen wurden. Und endlich haben die Physiker echte Monopole in der Hand, die sie experimentell erforschen können. Dabei lernen sie vielleicht auch etwas über die hypothetischen kosmischen Monopole - etwa,- was geschieht, wenn sie aufeinandertreffen.

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