Spektrogramm | 12.02.2009 | Drucken

Quantenphysik

Feldknoten als Teilchen

In den 1950er Jahren schlug Werner Heisenberg, einer der Väter der Quantenmechanik, zur Überwindung des Welle-Teilchen-Dualismus vor, die Vorstellung von punktförmigen Teilchen durch Wirbel in Feldverteilungen zu ersetzen. Wenig später griff Tony Skyrme die Idee im Rahmen der mathematischen Topologie auf und zeigte, dass sich in Feldern stabile Wellenpakete mit endlicher Masse konstruieren lassen. Solche "Skyrmionen" werden seit Jahren im Zusammenhang mit dem Quanten-Hall-Effekt in zwei-dimensionalen Elektronengasen diskutiert. Jetzt haben Sebastian Mühlbauer von der Technischen Universität München und Kollegen sie erstmals tatsächlich beobachtet: als Skyrmionengitter in einer magnetischen Substanz.

Als die Forscher die intermetallische Verbindung Mangansilizium bei –245 Grad Celsius einem schwachen Magnetfeld von 0,2 Tesla aussetzten und mit Neutronen beschossen, zeigte das Streubild der sonst aus parallelen Helizes bestehenden magnetischen Struktur eine Überlagerung sehr vieler solcher Helizes, an deren Kreuzungspunkten Wirbel auftraten. Diese Knoten, in denen hunderte Spins parallel ausgerichtet waren, bildeten eine regelmäßige Anordnung, die sich als identisch mit dem mathematisch vorhergesagten Skyrmionengitter erwies.

Bildzoom Skyrmionen
In Mangansilizium entstehen bei tiefen Temperaturen und einem kleinen externen Magnetfeld Wirbel, in denen die Spins der Atome parallel ausgerichtet sind. Diese "Skyrmionen" (hier blau) verhalten sich wie individuelle Teilchen und sind zu einem regelmäßigen Gitter angeordnet.
Die Physiker vermuten, dass solche Gitter auch in anderen Materialien entstehen und möglicherweise zu anomalem metallischem Verhalten führen. Sie sind aber auch für technische Anwendungen von Bedeutung: So könnten sie sich zur Herstellung stabiler Speichermedien mit sehr viel höheren Packungsdichten eignen.

Vera Spillner

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