Magnetische Monopole

Bei isolierten Teilchen wird noch gesucht, was die Forscher in Kristallen schon beobachten können - unter exotischen Bedingungen

Von Rainer Scharf

Elektrisch positive und negative Ladungen lassen sich ohne besondere Schwierigkeiten voneinander trennen. Es gibt sowohl positiv als auch negativ geladene Teilchen, die unabhängig voneinander existieren können - also elektrische "Monopole" wie das Elektron, das eine Elementarladung trägt. Magnete dagegen haben stets einen Nord- und einen Südpol, die unzertrennlich zu sein scheinen. Bricht man einen Stabmagneten in der Mitte durch, so erhält man nicht etwa zwei unabhängige magnetische Monopole, sondern wieder zwei vollständige Magnete. Magnetische Monopolteilchen hat man trotz intensiver Suche bisher nicht gefunden. Gäbe es sie, so könnte man die Existenz der elektrischen Elementarladung beweisen und ihre Größe berechnen, wie der britische Physiker Paul Dirac 1931 gezeigt hatte. Jetzt haben mehrere Forschergruppen in exotischen Kristallen Anregungszustände beobachtet, die sich wie magnetische M onopole verhalten.

Für die entsprechenden Experimente wurden Kristalle verwendet, die aus Holmium- oder Dysprosiumtitanat bestanden und eine sogenannte Spineis-Struktur hatten. Die Bedeutung dieser Struktur erklärt sich aus den Bestandteilen des Wortes, "Spin" und "Eis": In den Kristallen sind die Spins - also die magnetischen Momente - der Holmium- beziehungsweise Dysprosiumatome auch bei tiefsten Temperaturen ungeordnet. Diese magnetische Unordnung - ein Phänomen, das Forscher um Steven Bramwell vom University College in London 1997 entdeckt hatten - ähnelt der atomaren Unordnung in einem Eiskristall. Spins gleicher Ausrichtung bilden dabei Ketten, die sich durch den ganzen Kristall erstrecken können. Während die Spins einer Kette streng geordnet sind, sind die Ketten wie ein Haufen Spaghetti wirr miteinander verknäult. Der Spineis-Kristall ist deshalb insgesamt unmagnetisch.

Im vergangenen Jahr hatten Roderich Moessner vom Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden und seine Kollegen die überraschende Vorhersage gemacht, dass in einem SpineisKristall magnetische Monopole auftreten können. Dazu muss der Kristall auf etwa ein Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt gekühlt werden. Bei dieser tiefen Temperatur bleiben die Spins in den Ketten noch weitgehend geordnet, doch hin und wieder wird ein Spin durch die Wärmebewegung im Kristall dazu gebracht, "umzuklappen" und seine Richtung umzudrehen.

Was dann in der Spinkette geschieht, ähnelt den Vorgängen in einer zum Stillstand gekommenen Polonaise, bei der sich einer der Tänzer plötzlich umdreht. Er verursacht damit gleich zwei Störungen in der Formation, da er seinem Vordermann den Rücken und seinem Hintermann das Gesicht zuwendet. Diese beiden Störungen sind jedoch nicht aneinander gebunden, sie können sich voneinander weg bewegen. Das geschieht dadurch, dass sich der Reihe nach die Vordermänner dem Tänzer zuwenden und seine Hintermänner von ihm abkehren.

Auch in der Spinkette treten zwei Störungen auf, wenn ein Spin seine Richtung umdreht. Diese beiden Störungen bilden zusammen ein kleines magnetisches Moment. Sie sind Nord- und Südpol eines Magneten, die einander schwach anziehen. Doch wie die Störungen in der Polonaise können sich auch die beiden Pole in der Spinkette voneinander wegbewegen. Dazu müssen sich der Reihe nach jene Spins umdrehen, deren unmittelbare Nachbarn in entgegengesetzte Richtung zeigen - was dem jeweiligen Spin das Umklappen außerordentlich erleichtert. Haben die beiden Pole sich erst einmal ein wenig voneinander entfernt, so verspüren sie keine Anziehung mehr und können sich unabhängig voneinander auf der Spinkette umherbewegen. Sie sind dann zu einzelnen magnetischen Monopolen geworden.

Den ersten Nachweis magnetischer Monopole in Spineis-Kristallen haben in diesem Sommer Steven Bramwell und seine Kollegen geliefert, als sie in Kristallen aus Holmiumtitanat die magnetischen Monopole anhand ihrer Wirkung auf Neutronenstrahlen identifizierten. Kurz darauf haben Forscher um Jonathan Morris vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie die Monopole in Kristallen aus Dysprosiumtitanat nachgewiesen, wiederum mit Hilfe von Neutronenstrahlen sowie aufgrund des Beitrags der Monopole zur Wärmekapazität des Kristalls. Ähnliche Ergebnisse haben auch Hiroaki Kadowaki von der Tokyo Metropolitan University und seine Kollegen erzielt.

Kürzlich haben Bramwell und seine Mitarbeiter die magnetische Ladung der Monopole gemessen ("Nature", Bd. 461, S. 956. Da diese Monopole nur im Kristall auftraten, ließen sich ihre Eigenschaften nicht direkt bestimmen. Deshalb griffen die Forscher zu einem Trick. Sie nutzten aus, dass sich die magnetischen Monopole im Spineis-Kristall in ähnlicher Weise bewegen wie elektrisch geladene Ionen in einem Elektrolyten, etwa Salzwasser. Legt man eine elektrische Spannung an einen Elektrolyten, so beginnt ein elektrischer Strom zu fließen, dessen Stärke unter anderem von der Ladung der Ionen abhängt. Bringt man einen Spineis-Kristall in ein Magnetfeld, so fließt ein entsprechender Strom von magnetischen Monopolen, dessen Stärke von deren magnetischer Ladung abhängt.

Doch auch Ströme von magnetischen Monopolen kann man nicht direkt messen. Deshalb griffen die Forscher zu einem zweiten Trick. Sie änderten plötzlich die Stärke des Magnetfeldes, so dass sich der Monopolstrom auf einen neuen Wert einstellen musste. Je größer die Monopolladungen waren, desto schneller kam der Strom ins Gleichgewicht. Doch desto heftiger wackelten auch die Spins um ihre Ruhelage, was zu starken Schwankungen der lokalen Magnetisierung im Kristall führte. Diese Schwankungen konnten die Forscher mit Hilfe von in den Kristall eingebetteten Myonen messen, da deren radioaktiver Zerfall Aufschluss über die lokal vorliegende Magnetisierung gab.

Den Forschern um Bramwell ist es auf diese Weise gelungen, die Ladung der magnetischen Monopole im Kristall zu ermitteln: Wenn sich ein Nord- und ein Süd-Monopol auf ein fünfzigstel Nanometer nahekommen, bilden sie einen winzigen Magneten, der das magnetische Moment eines Elektrons hat. Dieses Ergebnis stimmt gut mit der von Roderich Moessner und seinen Kollegen gemachten Vorhersage überein. Die magnetischen Monopole im Spineis tragen demnach eine viel kleinere magnetische Ladung, als man sie für die magnetischen Monopole erwartet, die man in der kosmischen Strahlung zu finden hofft. Die Suche nach diesen "kosmischen" Monopolen wird weitergehen, doch an den Monopolen im Spineis kann man schon jetzt einige Eigenschaften dieser interessanten Gebilde erforschen.

Text: F.A.Z., 11.11.2009, Nr. 262 / Seite N1