Magnetische Monopole im Spin-Eis
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- Am Experimentierplatz des Berliner Forschungsreaktors durchleuchten Physiker die Proben mit Neutronen. Foto: HZB/A. Rouvière
In der Natur sind magnetische Monopole bislang nicht aufgefallen. Anders als elektrische Ladungen treten magnetische „Ladungen“ grundsätzlich nur als Dipole mit einem Nord- und einem Südpol auf. Die Entdeckung von magnetischen Monopolen im Herbst 2009 war daher eine Sensation.
Tatsächlich haben Dr. Jonathan Morris, Bastian Klemke und Professor Dr. Alan Tennant vom HZB ein faszinierendes Phänomen beobachtet: Sie untersuchten bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt die magnetischen Strukturen in einem Kristall aus Dysprosium-Titanat. Diese Verbindung zeichnet sich durch eine besondere Geometrie aus, die auch in gefrorenem Wasser zu finden ist. Während im Wassereis die Wasserstoffatome an den Ecken von Tetraedern platziert sind, sitzen im „Spin-Eis“ Dysprosium-Ionen an den Tetraederecken und richten ihre magnetischen Momente oder Spins im Raum aus.
Bei etwa einem Grad Kelvin über dem absoluten Nullpunkt bilden diese Spins lange, verschlungene
Ketten, so genannte Spin-Spaghetti, die die Forscher mit Hilfe von Neutronenstrahlen am Berliner Forschungsreaktor beobachten konnten. Unter einem äußeren Magnetfeld verhielten sich die Enden dieser Spin-Spaghetti wie einzelne magnetische Monopole, stellten sie fest. Eine einzelne Kette
aus magnetischen Momenten sei ein eindimensionales Objekt in einem dreidimensionalen Raum, erklärt Tennant.
Ab einer bestimmten Länge könnten die Enden dieser Ketten als frei betrachtet werden.
Genau genommen sind die jetzt nachgewiesenen magnetischen Monopole also keine neuen Teilchen, denn sie entstehen durch das Zusammenspiel einer enormen Anzahl von Atomen in einer speziellen Geometrie. „Sie verhalten sich aber wie eine neue Art von Teilchen“, sagt Tennant. Und ermöglichen so auch neue Einblicke in die Natur.
