Europhysics Prize 2012 für magnetische Monopole

Einer der beiden in Deutschland ansäßigen Preisträger ist Alan Tennant; er wird – gemeinsam mit fünf weiteren Wissenschaftlern aus der theoretischen und experimentellen Physik – für die Entdeckung der magnetischen Monopole geehrt, deren Existenz er am Berliner Forschungsreaktor BER II mithilfe der Neutronenstreuung nachgewiesen hat. Auch Roderich Moessner, Leiter des Bereichs Kondensierte Materie am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden ist unter den Preisträgern. Der Europhysics Prize 2012 der European Physical Society Condensed Matter Division (EPS CMD) ist mit 12.000 Euro dotiert. 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.

Magnetische Monopole sind 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. 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 „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 Tennant und seinen Kollegen.

Das Untersuchungsmaterial am Berliner Forschungsreaktor war ein Kristall aus Dysprosium-Titanat. Dieser Stoff kristallisiert in einer ganz bestimmten Geometrie, einem Pyrochlor-Gitter. Mithilfe der Neutronenstreuung konnten Jonathan Morris und Alan Tennant zeigen, dass die magnetischen Momente im Inneren des Materials als „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 Messungen bestätigten die Existenz der magnetischen Monopole und zeigten, dass sie ähnlich wie elektrische Ladungen wechselwirken können.

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. Mit so einer Erkenntnis können wir in Zukunft ganz neue Materialien entwickeln.“ Vor allem sei hervorzuheben, dass „erstmals eine magnetische Fraktionalisierung in drei Dimensionen beobachtet wurde“.

HZB / PH