Magnetische Monopole als kollektives Phänomen

Magnetische Monopole im Spineis erklären Moessner und seine Kollegen mit einem verblüffend einfachen Modell. Dessen Ausgangspunkt sind die magnetischen Momente an den Ecken der Tetraeder, aus denen sich das Spineis zusammensetzt. Moessner beschreibt jedes magnetische Moment als eine Hantel, mit einem Nordpol am einen Ende und einem Südpol am anderen. So kommen in der Mitte jedes Tetraeders zwei Nord- und zwei Südpole zusammen. Als entgegengesetzte magnetische Ladungen betrachtet, neutralisieren sich die Pole in dieser Konfiguration gegenseitig.

Dreht man nun eine der Hanteln um, entsteht jeweils in der Mitte von zwei benachbarten Tetraedern ein Ungleichgewicht. Drei gleichnamige Pole stehen einem ungleichnamigen gegenüber, in einem Tetraeder treffen drei Nordpole auf einen Südpol, im Nachbartetraeder drei Südpole auf einen Nordpol. Netto ergibt sich so in einem Tetraeder ein Nord- und im anderen ein Südpol. Die Prozedur stört lokal die magnetische Neutralität und erfordert daher den Einsatz eines winzigen Energiequantums.

Die Pole können sich nun voneinander entfernen; das erfordert lediglich ein bisschen zusätzliche Energie, um die Anziehung der magnetischen Monopole zu überwinden. Diese wird immer kleiner, je mehr Abstand die Pole voneinander gewinnen. Wenn zunächst eine benachbarte Hantel umklappt, wandert einer der Pole um einen Tetraeder weiter. Da sich die Prozedur beliebig oft wiederholen lässt, können sich die magnetischen Monopole quasi frei bewegen. In herkömmlichen magnetischen Substanzen wie etwa Eisen können sie das nicht. Zwar sind auch in diesen Stoffen magnetische Momente enthalten, doch erfordert das Umdrehen jedes Momentes die gleiche Energie, da es von entgegengesetzt gerichteten Momenten umgeben ist. Daher schwächt sich die Anziehung zweier sich voneinander entfernender magnetischer Defekte im Ferromagneten nicht ab, sondern verstärkt sich fast so, als säßen sie an den Enden einer sich spannenden Feder. Im Spineis hingegen bilden aneinandergereihte Momente ein Gewirr wie Spaghetti auf einem Teller, die beliebig hin- und hergeschoben werden können. Daher sind die Monopole gewissermaßen nicht mit einer Feder verbunden, sondern mit einem losen Bindfaden.