Die Entdeckung der magnetischen Monopole
Prof. Alan Tennant, Physiker am Helmholtz-Zentrum Berlin erhält Forscherpreis der Europäischen Physikalischen Gesellschaft
Tennant wird für die Entdeckung der magnetischen Monopole geehrt, deren Existenz er am Berliner Forschungsreaktor BER II mithilfe der Neutronenstreuung nachgewiesen hat. Er teilt sich den mit 12.000 Euro dotierten Europhysics Prize 2012 der European Physical Society Condensed Matter Division (EPS CMD) mit fünf weiteren Wissenschaftlern aus der theoretischen und experimentellen Physik, die ebenfalls Arbeiten zum Nachweis magnetischer Monopole veröffentlicht haben. Die Preisverleihung findet am 5. September in Edinburgh statt. Der EPS CMD Award wird alle zwei Jahre für herausragende aktuelle Arbeiten auf dem Gebiet der Physik kondensierter Materie vergeben.
Sehen und hören Sie Alan Tennant im Video-Interview. Er erläutert...
• was magnetische Monopole sind,
• die Herausforderungen beim experimentellen Nachweis, den die Europäische Physikalische Gesellschaft als bemerkenswert hervorhebt,
• die Bedeutung ihrer Entdeckung für zukünftige Anwendungen
• und die Zusammenarbeit mit den ebenfalls geehrten internationalen Forscherkollegen
Als magnetischen Monopol bezeichnen Physiker hypothetische Teilchen, die nur einen magnetischen Pol tragen, also entweder nur magnetischer Nordpol oder nur magnetischer Südpol sind. In der Welt der Materie ist dies ganz und gar ungewöhnlich, denn normalerweise treten magnetische Teilchen nur als Dipol auf, das heißt, sie bestehen aus einem Nord- und Südpol. Trotzdem existieren einige Theorien, welche die Existenz von Monopolen als Quelle von Magnetfeldern vorhersagen. Unter anderem hat 1931 der Physiker Paul Dirac aus Berechnungen abgeleitet, dass magnetische Monopole am Ende von sogenannten Dirac-Strings existieren müssten. Diese kann man sich als Schläuche vorstellen, die das magnetische Feld tragen. Nachgewiesen wurden die magnetische Monopole jedoch erst durch die Gruppen von Prof. Tennant und seiner Kollegen.
Es war ein Paukenschlag in der Physik, als eine internationale Forschergruppe um Alan Tennant vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) im September 2009 die Entdeckung bekannt gab: magnetische Monopole existieren tatsächlich – 1931 hat Paul Dirac sie theoretisch vorhergesagt, doch niemand konnte sie bislang nachweisen. 2009 war es dann soweit. Die Gruppe um Alan Tennant publizierte ihre Ergebnisse im Fachmagazin Science Express. Nun erhält der Physiker Preisverleihung findet am 5. September in Edinburgh statt.
Das Untersuchungsmaterial am Berliner Forschungsreaktor war ein Kristall aus Dysprosium-Titanat. Dieser Stoff kristallisiert in einer ganz bestimmten Geometrie, einem so genannten Pyrochlor-Gitter. Mithilfe der Neutronenstreuung konnten Jonathan Morris und Alan Tennant zeigen, dass die magnetischen Momente im Inneren des Materials als sogenannte „Spin-Spaghetti“ angeordnet sind. Der Name kommt von der Ausrichtung der Dipole, die ein Netzwerk aus gewundenen Röhren (Strings) bilden. Durch diese Röhren wird der magnetische Fluss transportiert. Dies kann man sichtbar machen, weil die Neutronen, die auf die Probe treffen, selbst ein magnetisches Moment tragen und mit den Strings in Wechselwirkung treten.
Während der Neutronenmessungen haben die Forscher zugleich ein Magnetfeld angelegt. Mit diesem Feld konnten sie die Symmetrie und die Orientierung der Strings beeinflussen. Dadurch wurde es möglich, die Dichte des String-Netzwerks zu reduzieren und die Anzahl der Monopole zu verringern. Als Ergebnis wurden bei einer Temperatur von 0,6 bis 2 Kelvin die Strings mit den magnetischen Monopolen an ihren Enden sichtbar.
Die charakteristischen Merkmale dieser magnetischen Monopole wurden ebenso durch Messungen der Wärmekapazität an Dysprosium-Titanat beobachtet. Die von Bastian Klemke (HZB) durchgeführten Messungen bestätigten die Existenz der magnetischen Monopole und zeigten, dass sie ähnlich wie elektrische Ladungen wechselwirken können.
In der Arbeit bewiesen die Forscher erstmals, dass die von Dirac vorhergesagten Monopole tatsächlich in Festkörpern existieren. Sie entstehen durch eine spezielle Anordnung der Dipole und unterscheiden sich vollkommen von den üblichen Eigenschaften magnetischer Materialien. Alan Tennant betont vor allem die weitergehende Bedeutung der Resultate: „Wir beschreiben neue, fundamentale Eigenschaften von Materie. Sie sind allgemeingültig für Materialien mit derselben Topologie, also Stoffe mit magnetischen Momenten im Pyrochlor-Gitter. Für die Entwicklung neuer Technologien könnte dies von großer Bedeutung sein.“ Vor allem sei hervorzuheben, dass „erstmals eine magnetische Fraktionalisierung in drei Dimensionen beobachtet wurde“.
Weitere Informationen:
Prof. Alan Tennant
Institut Komplexe Magnetische Materialien des HZB
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Dr. Ina Helms
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