PSI: Bewegung magnetischer Monopole beobachtet

In der Schule hat man gelernt, dass magnetische Pole immer nur paarweise auftreten. So hat jeder Magnet, zum Beispiel ein Stabmagnet, einen Nord- und einen Südpol. Wird ein Magnet zweigeteilt, erhält man keine zwei getrennten Pole, sondern zwei neue kleinere Magnete mit je einem Nord- und Südpol. Bereits in den frühen 1930er-Jahren leitete jedoch der britische Physiker schweizerischer Herkunft, Paul Dirac, aus Berechnungen ab, dass magnetische Monopole existieren können. Dabei ist jeder Monopol durch eine Art Verbindungsschlauch, einen sogenannten Dirac-String, mit einem Partner entgegengesetzter Polarität verbunden. Diese Theorie konnte lange nicht experimentell bewiesen werden. Es gelang erst vor einem Jahr.

2009 ist es Forschenden des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Dresden, Oxford und St. Andrews (Grossbritannien), sowie La Plata (Argentinien) erstmals gelungen, derartige Monopole in einem magnetischen Material zu erzeugen. Allerdings konnten die zugehörigen Dirac-Strings nur indirekt durch Neutronenstreuung und auch nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt beobachtet werden.

Dirac-Strings direkt sichtbar gemacht

Dem Forscherteam des PSI und des University College Dublin ist es nun gelungen, magnetische Monopole und die dazugehörigen Dirac-Strings bei Raumtemperatur direkt zu beobachten. Die Forschenden haben dazu auf einer Fläche eine Struktur winziger, wabenförmig angeordneter Magnete hergestellt , wobei jeder Magnet gerade mal 500 nm lang und 150 nm breit ist. Die Wissenschafter haben damit ein künstliches zweidimensionales magnetisches Material geschaffen. Weil die Atome ähnlich wie in gewöhnlichem Eis angeordnet sind, wird diese Struktur auch als «künstliches Spin-Eis» bezeichnet.

Defekte verhalten sich wie magnetische Monopole

Laura Heyderman, die das Projekt auf Seiten des PSI leitet, erklärt: «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 aufeinanderstossen.» Sie ergänzt: «Wenn man bei einer solchen Anordnung die Magnetisierungsrichtung eines Magneten mit Hilfe eines äusseren Magnetfelds umklappt, entstehen an den Enden des Magneten zwei Defekte. Diese Defekte verhalten sich wie magnetische Monopole.»

Wird die Stärke des äusseren Magnetfeldes erhöht, so klappt bei benachbarten Magneten die Magnetisierung ebenfalls um. Dieser Vorgang setzt sich fort, wie bei einer Reihe umfallender Dominosteine. Die beiden Monopole eines Paares wandern so immer weiter voneinander weg. Elena Mengotti, die am PSI über künstliches Spin-Eis doktoriert und den grössten Teil der Experimente durchgeführt hat, hält fest, dass «die beiden Monopole stets durch einen eindimensionalen Pfad von Magneten verbunden bleiben, bei denen der Nordpol des einen an den Südpol des nächsten stösst, und die so den Dirac-String bilden». Mengotti fügt hinzu, dass dieser Zustand auch bestehen bleibt, wenn das äussere Feld wieder abgeschaltet wird. Beobachtet haben die Forschenden diesen Vorgang an einem Messplatz der SLS, mit dem die Magnetisierung von Magneten direkt abgebildet werden kann.

Technische Verwendung

Hans-Benjamin Braun vom University College Dublin geht davon aus, dass die nächste Generation von Speichermedien aus einzelnen isolierten Makrospins (Nanomagneten) bestehen wird. Laura 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.»