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Festkörperphysik: Nordpole ohne Südpole

Kann es isolierte magnetische Pole geben? Einige Theoretiker behaupten das, aber kein Experiment hat je den Nachweis erbracht. In einer besonderen Art von Material, dem Spin-Eis, fanden Forscher nun so genannte Quasiteilchen, die sich genau wie die lange gesuchten Monopole verhalten.
Spin-EisLaden...

Magnetitsteine besitzen merkwürdige Eigenschaften. Schon der Philosoph Thales (624 – 547 v. Chr.) ließ sich von den Mineralen, die den Griechen aus der Region Magnesia bekannt waren, zu der Annahme verführen, sie seien möglicherweise beseelt. Im 1. vorchristlichen Jahrhundert zogen sie dann das Interesse des römischen Dichters Lukrez (97 – 55 v. Chr.) auf sich. In "De rerum natura" drückte er seine Faszination in Versen aus: "Seltsam scheint dem Menschen der Stein. Da hängt sich bisweilen / Ring an Ring an ihn an und reihet sich also zur Kette. / ... Wo sich der eine wie klebend von unten dem anderen anhängt / und wo jeder vom andern des Steines bindende Kraft lernt; / So durchdringend erweist sich dabei sein magnetischer Kraftstrom."

Ohne Magnete hätte sich die menschliche Zivilisation wohl anders entwickelt. Es ist schwer vorstellbar, dass die großen Entdecker ohne Kompass in See gestochen wären und dass heute keine Festplatten existieren würden, auf denen wir Daten in Form kleiner magnetischer Bits speichern. Doch obwohl wir Magnete schon so lange kennen, haben wir ihre letzten Geheimnisse noch nicht enträtselt.

Magnete besitzen stets einen Nord- und einen Südpol. Teilt man einen in zwei Stücke mit der Absicht, Nord- und Südpol voneinander zu trennen, erhält man stattdessen zwei neue Magnete, die jeder ebenfalls sowohl einen Nord- als auch einen Südpol besitzen. Das fiel dem französischen Gelehrten Petrus Peregrinus schon im 13. Jahrhundert auf. Gleichwohl haben die Physiker nicht aufgegeben: Seit Jahrhunderten treibt sie die Frage um, ob es – zumindest unter bestimmten Voraussetzungen – vielleicht doch magnetische Einzelpole geben könnte, so genannte Monopole.

Die Versuche, sie in Form eines freien Elementarteilchens aufzuspüren, waren zwar vergebens, doch offenbar führen auch andere Wege zum Ziel. In bestimmten künstlich hergestellten Festkörpern sind Forscher mittlerweile fündig geworden. ...

Februar 2014

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft Februar 2014

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  • Quellen und Literaturtipp

Mengotti, E. et al.: Real-space Observation of Emergent Magnetic Monopoles and Associated Dirac Strings in Artificial Kagome Spin Ice. In: Nature Physics 7, S. 68 - 74, 2011

Zhang, S. et al.: Crystallites of Magnetic Charges in Artificial Spin Ice. In: Nature 500, S. 553 – 557, 2013.

Balents, L.: Spin Liquids in Frustrated Magnets. In: Nature 464, S. 199 - 208, 2010

Castelnovo, C. et al.: Magnetic Monopoles in Spin Ice. In: Nature 451, S. 42 - 45, 2008

Bramwell, S., Gingras, M.: Spin Ice State in Frustrated Magnetic Pyrochlore Materials. In: Science 294, S. 1495 - 1501, 2001

Lacroix, C., Mendels, P., Mila, F. (Hg.): Introduction to Frustrated Magnetism. Springer, Berlin 2011. Lehrbuch für ein breiteres Publikum über theoretische Grundlagen, geeignete Materialien und Experimente