20.03.2020

Magnetische Monopole im Spin-Eis

Magnetische Messungen weisen „Kagome-Spin-Eis“-Verhalten nach.

Bricht man einen Stabmagneten in zwei Teile, so hat jeder der beiden wieder einen Nord- und einen Südpol. Einzeln bewegliche magnetische Monopole waren bislang nur aus einer einzigen Klasse von magnetischen Kristallen bekannt. Ein inter­nationales Forscherteam unter Leitung der Universität Augsburg hat nun Monopole in einem „Kagome-Spin-Eis“-Material nachgewiesen, das zudem elektrisch leitfähig ist. 

Abb.: Ein im Kagome-Muster gefloch­tener Korb besteht im Prinzip aus vielen...
Abb.: Ein im Kagome-Muster gefloch­tener Korb besteht im Prinzip aus vielen Dreiecken, die an den Ecken mit­einander verbunden sind. Es gibt Kristalle, deren Atome sich nach einem ähnlichen Muster anordnen. In HoAgGe besetzten Holmium-Spins die Dreiecks-Ecken. Die Ausrichtung benach­barter Spins muss dabei der Eisregel gehorchen. Als Resultat verhalten sich die einzel­nen Dreiecke, als wären sie magne­tische Monopole. (Bild: U. Augsburg)

In Kristallen herrscht normalerweise strenge Ordnung: Jedes Atom besetzt einen festen Platz. Eis, also gefrorenes Wasser, bildet eine Ausnahme. Hier können die Wasserstoff­atome unterschiedliche Orien­tierungen einnehmen. Einzige Bedingung: Sie müssen die Eisregel erfüllen. Nach ihr muss jedes Sauerstoff-Atom genau zwei starke und zwei schwache Bindungen zu den benachbarten Wasserstoffatomen haben. Die Eisregel schränkt die Freiheitsgrade für die Anordnung der Wasserstoff­atome teilweise, aber nicht vollständig ein. „Solche constraints, denen sich ein System unterwerfen muss, können neues Verhalten hervorrufen“, erklärt Philipp Gegenwart vom Institut für Physik der Universität Augsburg. Ein Beispiel hierfür bildet das bislang nur als theoretisches Konzept bekannte „Kagome-Spin-Eis“.

„Kagome“ heißt auf japanisch Korbgitter. Geflochtene Körbe mit einem Kagome-Muster weisen Dreiecke auf, die jeweils an den Ecken miteinander verbunden sind. Atome können ebenfalls in dieser Struktur kristal­lisieren. Interessant wird es, wenn sie ein magnetisches Moment tragen, einen so genannten Spin. Denn aufgrund der Dreiecks-Anordnung ist es unmöglich, die Spins benachbarter Atome wie üblich gegenläufig zueinander auszurichten. Stattdessen gibt es zwei zulässige Spin-Konfi­gurationen: Bei der ersten zeigen die Spins von zwei der drei Atome genau zum Dreiecks-Zentrum, die des dritten dagegen aus dem Zentrum heraus. Bei der zweiten ist es genau umgekehrt: Ein Spin zeigt zum Zentrum, die beiden anderen aus ihm heraus. Ähnlich wie es bei den Wassermolekülen im Eis der Fall ist, sind die Möglichkeiten der Spin-Anordnungen also beschränkt – daher auch der Name „Kagome-Spin-Eis.“

Beide Konfigurationen haben zur Folge, dass Kagome-Spin-Eis sich so verhält, als ob in ihm magnetische Monopole vorliegen würden und keine Spin-Dreiecke. Einzelne magnetische Pole gibt es eigentlich nicht, denn selbst Elementar­teilchen tragen immer ein Paar aus Nord- und Südpol. „Mit ‚so als ob‘ ist daher gemeint, dass dieses Bild der Monopole nur eine Analogie darstellt“, sagt Philipp Gegenwart. „Sie sind keine echten Elementar­teilchen, sondern Quasi­teilchen.“ Die Annahme bestimmter Quasi­teilchen dient allgemein der vereinfachten Beschreibung neuer Phänomene in Kristallen. Im konkreten Fall geht es um die Beschreibung exotischer magnetischen Eigen­schaften mittels hypo­thetischer magnetischer Ladungen.

Vor mehr als zehn Jahren wurden Monopol-Quasiteilchen erstmals in Spin-Eis-Materialien nachgewiesen, die aus speziellen tetra­edrischen Kristall-Einheiten bestanden. Diese Materialien sind elektrisch isolierend. Einer inter­nationalen Forschungs­kooperation, initiiert durch Kan Zhao von der Universität Augsburg, gelang nun der erstmalige Nachweis von Kagome-Spin-Eis. Nun untersuchten sie die metallische Verbindung HoAgGe. Sie enthält Spins auf einem Kagome-artigen Gitter. Die Forscher setzten die Substanz bei verschiedenen Temperaturen einem Magnetfeld aus. Abhängig von seiner Stärke konnten sie eine Reihe unter­schiedlicher Spin-Anordnungen erzeugen, die alle der Eisregel gehorchten.

Die experimentellen Unter­suchungen wurden durch theo­retische Simulationen flankiert. So konnten die Forscher nicht nur die auftretenden magnetischen Wechsel­wirkungen genau bestimmen, sondern auch Diskrepanzen zur Kagome-Spin-Eis-Theorie aufdecken. Im Gegensatz zu bisherigen Spin-Eis-Materialien leitet HoAgGe zudem elektrischen Strom. In Zukunft wollen die Wissen­schaftler daher genauer untersuchen, wie die Leitungs­elektronen mit den magne­tischen Monopolen wechselwirken. „Dies könnte neuartige magneto­elektrische Effekte bewirken, vielleicht sogar mit Anwendungs­potential“, spekuliert Philipp Gegenwart.

U. Augsburg / JOL

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