Magnetische Monopole, isolierte magnetische Ladungen, die beispielsweise nur dem Nordpol oder dem Südpol eines Stabmagneten entsprechen, zeigen Parallelen zum Verhalten elektrischer Einzelladungen. Diese Symmetrie ist zwar bereits seit langem postuliert, aber noch niemals experimentell belegt worden. Jetzt haben Physiker ein entsprechendes Experiment an der exotisch klingenden Kristallform des „Spin-Eises“ in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.
Magnetische Monopole sind hypothetische Teilchen, deren Existenz bereits 1931 von dem Physiker Paul Dirac vorhergesagt wurde, bisher aber nie eindeutig belegt werden konnte. Sie tragen im Gegensatz zu einem normalen Dipolmagneten, wie beispielsweise dem Stabmagneten, der einen Nord- und einen Südpol besitzt, nur eine isolierte magnetische Ladung. Sie repräsentieren daher immer nur entweder den Nord- oder den Südpol. Nach Diracs Theorie wäre ein Monopol für den Magnetismus das, was das Elektron in der Elektrizität ist: Beides wären Elementarteilchen und einfache Ladungsträger ihrer Bereiche.
Spin-Eis: Tetraeder-Gitter der besonderen Art
Im Februar 2009 hatten Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energien (HZB) erstmals Monopole als Quasiteilchen in einem Disprosium-Titanat-Kristall (Dy2Ti2O7) nachgewiesen. Jetzt haben Steven Bramwell vom Centre for Nanotechnology am University College London in einer Kombination aus Experiment und Theorie das Verhalten von magnetischen Monopolen ebenfalls in diesem Kristall, der in einer speziellen, Spin-Eis, genannten Struktur vorliegt, untersucht. Die Forscher folgten dabei einer Theorie, die ursprünglich das Verhalten von elektrischen Ladungen in Flüssigkeiten beschreibt und passten sie an die Gegebenheiten im Spin-Eis an.
Im Spin-Eis bilden die Spins der Teilchen ein Gittermuster, das dem des Wassereises gleicht: Die Grundbausteine sind tetraederförmig und jeweils zwei Spins zeigen einwärts, zwei auswärts. Beim Wassereis entspricht dies der Anordnung der H2O-Moleküle, bei denen zwei Protonen jeweils nahe an „ihrem“ Sauerstoffteilchen sitzen, zwei benachbarte Protonen über weitere Bindungen verknüpft sind.
Magnetische Monopole als Störung im Spin-Eis
Die Forscher zeigten nun erstmals, dass sich magnetische Monopole in einem solchen geordneten Gitter aus magnetischen Dipolen als Störungen bemerkbar machen. Dieser experimentelle Nachweis der Monopole ermöglichte es den Wissenschaftlern, deren Spannung zu messen und sie als Elementareinheit der magnetischen Ladung in dem Material zu bestimmen. Zugleich belegt dies ihrer Ansicht nach auch, dass es die von Dirac postulierte Äquivalenz von Elektrizität und Magnetismus in diesem Aspekt gibt. Die magnetischen Monopole können allerdings ausschließlich innerhalb des Spin-Eis-Gitters existieren.
(Nature, 15.10.2009 – NPO)
