Seit Jahrzehnten suchen Forscher nach magnetischen Monopolen – einzelnen magnetischen Ladungen, die sich wie einzelne elektrische Ladungen alleine bewegen könnten. Denn normalerweise treten magnetische Pole immer nur in Paaren auf. Nun ist es einem Forscherteam gelungen, Monopole als Quasiteilchen in einer Anordnung von nanometergroßen Magneten zu erzeugen und ihre Bewegung mit Hilfe eines Mikroskops an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS), das magnetische Strukturen sichtbar macht, zu beobachten.
Wie die elementaren Monopole, die zuerst vom britischen Physiker Paul Dirac 1931 vorhergesagt wurden, ist auch jeder dieser Monopole durch einen „String“, eine Art Verbindungsband, mit einem Partner entgegengesetzter Ladung verknüpft. Die beiden Monopole können sich dabei aber weitgehend unabhängig voneinander bewegen. Diese Ergebnisse sind nicht nur wissenschaftlich interessant, sondern könnten auch die Grundlage für die Entwicklung zukünftiger elektronischer Geräte bilden, berichten die Wissenschaftler in „Nature Physics“ online.
Magnetische Pole im Doppelpack
Magnetische Pole treten immer nur paarweise auf – teilt man einen Stabmagneten, der immer einen Nord- und einen Südpol hat, so bekommt man nicht einzelne Pole, sondern wieder zwei Magnete mit je einem Nord- und einem Südpol. Das ist ähnlich wie bei einem Stab, bei dem man nicht zwei einzelne Enden bekommt, wenn man ihn halbiert, sondern zwei Stäbe mit je zwei Enden.
Wie aber schon der britische Physiker schweizerischer Herkunft Paul Dirac in den 1930er Jahren vorhergesagt hat, können die einzelnen Pole auch weit voneinander entfernt sein, solange nur eine magnetische Verbindung zwischen ihnen besteht – der so genannte Dirac-String. Im letzten Jahr ist es Forschern erstmals gelungen, derartige Monopole in einem magnetischen Material zu erzeugen. Allerdings konnten die zugehörigen Dirac-Strings nur indirekt mit Hilfe von Neutronenstreuung und auch nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt beobachtet werden.
Nanomagnete bilden Monopole
Nun haben Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts und des University College Dublin erstmals magnetische Monopole und die dazugehörigen Dirac-Strings bei Raumtemperatur direkt beobachtet. Sie stellten dafür eine zweidimensionale Anordnung von winzigen Magneten her – jeder Magnet war nur rund 500 Nanometer (= Millionstel Millimeter) lang und 150 Nanometer breit. So haben sie ein künstliches zweidimensionales magnetisches Material geschaffen, deren kleinste Bestandteile die Nanomagnete sind.
In dem Experiment waren die Nanomagnete den Wissenschaftlern zufolge in einem Sechseckmuster angeordnet, so dass jeder an seinem Ende auf zwei weitere stieß. Wegen der entfernten Ähnlichkeit mit der Anordnung von Atomen in gewöhnlichem Eis wird diese Struktur als „künstliches Spin-Eis“ bezeichnet.
„Für unser Experiment haben wir die Nanomagnete zunächst so vorbereitet, dass an den Begegnungspunkten abwechselnd zwei Nordpole und ein Südpol oder zwei Südpole und ein Nordpol aufeinanderstießen“, erklärt Laura Heyderman, die das Projekt von Seiten des PSI leitet. „Klappt man bei einer solchen Anordnung die Magnetisierungsrichtung eines Magneten mit Hilfe eines äußeren Magnetfelds um, entstehen an den Enden des Magneten zwei Defekte in der ursprünglichen Anordnung. Diese Defekte verhalten sich wie magnetische Monopole“, so Heyderman weiter.
Monopole eines Paares wandern auseinander
„Macht man das äußere magnetische Feld stärker, klappt bei benachbarten Magneten die Magnetisierung ebenfalls um. Dieses Umklappen geht dann wie bei einer Reihe Dominosteine weiter, so dass die beiden Monopole eines Paares auseinanderwandern – der eine immer nach rechts, der andere nach links“, erklärt Elena Mengotti, die den größten Teil der Experimente durchgeführt hat.
„Dabei bleiben die beiden Monopole stets durch einen eindimensionalen Pfad von Magneten verbunden, bei denen der Nordpol des einen an den Südpol des nächsten stößt, und die so den Dirac-String bilden. Auch wenn man dann das äußere Feld wieder abschaltet bleiben die Monopole am Ort – sozusagen ‚eingefroren’ im Spin-Eis.“
Synchrotronlicht zeigt Magnetismus
An einem Messplatz für magnetische Untersuchungen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts konnten die Forscher beobachten, wie sich die Magnetisierungsrichtung der einzelnen Nanomagnete verändert und so zeigen, wie sich die Monopole bewegen.
Hier kann man nämlich die Magnetisierung der Magnete direkt abbilden und somit erstmals direkt die Bewegung der Monopole und damit das Wachsen des Dirac-Strings sichtbar machen. Diese Experimente konnten bei Raumtemperatur durchgeführt werden.
Die Theorie hinter dem Experiment
Eine lawinenartige Ummagnetisierung entlang eines eindimensionalen Dirac-Strings, wie sie hier beobachtet werden konnte, ist ein neuartiges magnetisches Phänomen und unterscheidet sich stark von Vorgängen in anderen magnetischen Materialien wie sie etwa gegenwärtig in magnetischen Festplatten verwendet werden. Das beobachtete Verhalten konnte in theoretischen Studien des Teams am University College Dublin erklärt werden.
„Unsere Ergebnisse stellen nicht nur einen Durchbruch in der direkten Beobachtung von Monopolen und Dirac-Strings in künstlichem Spin-Eis dar, sondern haben auch zum ersten Mal gezeigt, wie deren Bewegung manipuliert werden kann“, erklärt Hans-Benjamin Braun, der am University College für das Projekt verantwortlich ist.
„Digitale Bauteile, die magnetische Ströme nutzen“
„Die Erkenntnisse können auch zentral für die Architektur zukünftiger magnetischer Speicher sein. So geht man im Allgemeinen davon aus, dass die nächste Generation von Speichermedien aus einzelnen isolierten Makrospins – wie unseren Nanomagneten – bestehen wird“, so Braun.
Und Heyderman fügt an: „Als nächstes wollen wir herausbekommen, wie man die Monopole noch gezielter auf kleinsten Skalen manipulieren kann, um sie als Speicher oder für logische Operationen einsetzen zu können. Die Idee ist, digitale Bauteile zu entwickeln, in denen man Ströme magnetischer Monopole anstelle elektrischer Ströme nutzen würde.“
(idw – Paul Scherrer Institut (PSI), 19.10.2010 – DLO)
