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Prof. Dr. Roderich Moessner

Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Dresden

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Hintergrund

Festkörperforschung . Komplexe Systeme . Quantenphysik

Magnetische Monopole im Spineis

3. Februar 2009

Unzertrennlich sind der Nord- und der Südpol eines Magneten - für gewöhnlich. Doch in manchen Stoffen können sie sich einzeln bewegen und werden somit zu magnetischen Monopolen.

Text: Christian Meier  

Auf der Suche nach exotischen Ordnungen: Roderich Moessner, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik komplexer  Systeme, erforscht die ungewöhnliche magnetische Ordnung im Spineis und entdeckte dabei magnetische Monopole. Bild vergrößern
Auf der Suche nach exotischen Ordnungen: Roderich Moessner, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, erforscht die ungewöhnliche magnetische Ordnung im Spineis und entdeckte dabei magnetische Monopole. [weniger]

Licht und Schatten, Gut und Böse, Yin und Yang − manche Gegensätze brauchen sich. Auch die Physik kennt ein unzertrennliches Gegensatzpaar: den Nord- und den Südpol eines Magneten. Noch nie haben Physiker einen einzelnen Magnetpol, sie sprechen von einem magnetischen Monopol, zuverlässig beobachtet. Die meisten Wissenschaftler wundert das nicht, denn alle bekannten magnetischen Bausteine der Materie, etwa das Elektron oder das Neutron, tragen immer nur beides: Nord- und Südpol. Da unsere Umwelt aus diesen Teilchen zusammengesetzt ist, sollte es kein Stück Materie geben, das einen magnetischen Monopol darstellt – so die allgemeine Überzeugung.

Vor diesem Hintergrund klingt Roderich Moessners Forschungsergebnis erstaunlich, dass es in Festkörpern magnetische Monopole gibt. Der theoretische Physiker, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden, vermutet sie in einer Substanz, deren besondere Kristallstruktur ihr äußerst ungewöhnliche magnetische Eigenschaften verleiht, dem Spineis. Die Spins sind winzige magnetische Momente der Elektronen im Festkörper, die sich wie Miniatur-Stabmagnete verhalten. Die Anordnung dieser Stabmagnetchen im Spineis gleicht dem Muster, nach dem sich Wassermoleküle im Eis aneinander lagern.

In dem Material können sich magnetische Nord- und Südpole beliebig weit voneinander entfernen, so als gäbe es frei bewegliche Träger von magnetischen Nordpolen und ebensolche Träger von Südpolen. Das haben die Berechnungen von Moessner und seinen Kollegen Claudio Castelnovo von der Oxford University und Shivaji Sondhi von der Princeton University ergeben. Die Theorie der Wissenschaftler hat in der Fachwelt Aufsehen erregt, nicht zuletzt weil sie mysteriöse Messdaten am Spineis erklärt hat.

Dass im Spineis vereinzelte magnetische Nord- und Südpole auftauchen, bedeutet indes nicht, dass es zwei neue Teilchenarten gibt, die jeweils einen dieser magnetischen Pole tragen, wie Elektronen eine negative und Protonen eine positive elektrische Ladung mit sich führen. Die Lehrbücher der Elementarteilchenphysik müssen nicht umgeschrieben werden.

„Vielmehr handelt es sich bei einem magnetischen Monopol um ein Phänomen, das die Atome und Elektronen, aus denen Spineis besteht, durch ihr Zusammenspiel gemeinschaftlich hervorbringen“, sagt Moessner und vergleicht die atomare Teamarbeit im Spineis mit dem Entstehen von Wasserwellen: „Einzelne Wassermoleküle bringen keine Wellen hervor; das können nur sehr, sehr viele Wassermoleküle zusammen, indem sie einwirkende Kräfte an ihre Nachbarmoleküle weitergeben. Wellen sind ein kollektives Phänomen.“

 
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