Seit vielen Jahrzehnten suchen Physiker nach hypothetischen Teilchen, magnetischen Monopolen, deren Entdeckung und Untersuchung der Schlüssel zur Schaffung der lang erwarteten "Theory of Everything" sein könnte. Und kürzlich berichteten gleich zwei Wissenschaftlergruppen über die Entdeckung - allerdings in Form von Quasiteilchen.
Der magnetische Monopol ist ein hypothetisches Teilchen, das von Paul Dirac bereits in den 1930er Jahren vorhergesagt wurde. Es wird angenommen, dass es der elementare Träger des Magnetfelds sein sollte, der seine Stärke bestimmt, da die Ladung anderer Elementarteilchen die Stärke des elektrischen Felds bestimmt. Die Haupteigenschaft eines Monopols ist das Vorhandensein nur eines Magnetpols, während alle gewöhnlichen Magneten (und sogar Teilchen mit einem Magnetfeld) Dipole sind. Über die grandiose Suche nach diesem erstaunlichen Teilchen haben wir ausführlich im Artikel „Der Flaschengeist aus der Glühbirne“berichtet.
Neulich meldeten zwei Wissenschaftlerteams gleichzeitig einen sehr vielversprechenden Fund in diesem Gebiet - die Gruppe von Tom Fennell aus Frankreich und die Gruppe von Jonathan Morris aus Deutschland. Nein, das sind nicht die Monopole selbst, sondern ihre direkten Gegenstücke, die die Haupteigenschaft dieser Teilchen haben – einen Pol des Magnetfelds.
Beide Forschungsteams verwendeten eine exotische Kristallform, „Spin-Eis“, eine Form, in der magnetfeldtragende Ionen ähnlich organisiert sind wie Wasserstoffionen in einem Eiskristall: Sie befinden sich an den Ecken von ein Tetraeder (siehe Abbildung links). Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ist diese Struktur so organisiert, dass zwei Ionen ausgerichtet sind und ihre Nordpole relativ zum Tetraeder nach außen und die anderen beiden nach innen in Richtung der Mitte der Figur richten.
Wo sind die Monopole, fragst du? Aber der Punkt ist, dass, wenn eines der Ionen seine Ausrichtung ändert – beispielsweise nachdem es zusätzliche Energie von außen erh alten hat – vier Ionen aufhören, sich gegenseitig auszugleichen, und das Magnetfeld im Tetraeder eine Richtung erhält. Außerdem ist dieses Magnetfeld nicht an ein bestimmtes Ion gebunden, sondern verteilt sich über die gesamte Struktur: Einer der Tetraeder wird zum Südpol und der andere zum Nordpol des gebildeten Magneten.
Wenn sich der Prozess weiter auszubreiten beginnt, werden die Pole des Magneten zu benachbarten Strukturen verschoben, und zwar völlig unabhängig voneinander - das erlaubt uns, sie als zwei getrennte, nicht verwandte Monopole zu betrachten.
Außerdem ist das überhaupt kein Jonglieren mit Konzepten. Nachdem die Fennell-Gruppe das Spin-Eis von Holmiumtitanat mit einem Strahl polarisierter Neutronen bestrahlt und die Änderung seines Polarisationswinkels für verschiedene Einfallswinkel gemessen hatte, sah sie, dass ähnliche Quasi-Monopole tatsächlich in der Eisstruktur erscheinen, und wann erhitzt, breiten sie sich aus. Außerdem verh alten sie sich genau so, wie sich nach theoretischen Berechnungen echte Monopole verh alten sollten.
Morris' Gruppe verwendete das gleiche Material, kam aber aus einem anderen Blickwinkel zu dem Schluss über Monopole. Durch Anlegen eines externen Magnetfelds an das Spineis aus Holmiumtitanat „streckten“die Forscher die resultierenden Magnete so weit wie möglich, spreizten den Süd- und den Nordpol und verlängerten die Kette aus unausgeglichenen Tetraedern, die sich zwischen ihnen befanden. Das bloße Vorhandensein dieser Filamente wurde auch durch Neutronenstreuung nachgewiesen. Die Wissenschaftler begannen dann, die Probe zu erhitzen, was zeigte, dass dies genauso viel Energie erforderte, als wäre die Probe mit einem „Gas“aus Monopolteilchen gefüllt, die miteinander wechselwirken.
Allerdings kommt man nur schwer von der Vorstellung ab, dass solche Monopole bislang nur Quasiteilchen sind, also Variationen der Position von Ionen in der Kristallstruktur von „Spin-Eis“. Sie werden natürlich nicht zur Schaffung der "Theory of Everything" führen, die allen Arten grundlegender Wechselwirkungen ein einziges Gesetz unterstellt.
Die Ergebnisse sind jedoch schon deshalb interessant, weil sie zeigen, dass es in Festkörpern prinzipiell möglich ist, eine Vielzahl von Quasiteilchen für deren Untersuchung und Verwendung zu erzeugen. Zum Beispiel glaubt Fennell, dass solche Quasi-Monopole die Grundlage für eine völlig neue Art von elektronischen Geräten werden könnten, magnetische.
Übrigens, einige zu eifrige Umweltschützer nannten das Auftreten magnetischer Monopole eines der gefährlichsten möglichen Ergebnisse der Arbeit des Large Hadron Collider - und leiteten sogar rechtliche Schritte in dieser Angelegenheit ein. Informieren Sie sich dazu am besten im Hinweis „Particles Trial“.
