Schwebende Nanomagnete

Quanteneigenschaften lassen Nanomagnete über einem statischen Magnetfeld schweben, obwohl das laut dem klassischen Earnshaw-Theorem klassisch unmöglich ist. Wie Innsbrucker Quanten­physiker um Oriol Romero-Isart nun zeigen konnten, ist dafür ist der Drehimpuls von Elektronen verantwortlich, aus dem auch der Magnetismus entspringt. Mit Dauer­magneten kann man keine stabil schwebende Konstruktion errichten, das hat der Brite Samuel Earnshaw bereits 1842 nachgewiesen. Lässt man einen Magneten über einem anderen schweben, genügt die kleinste Störung, um ihn abstürzen zu lassen. Der Magnet­kreisel, ein beliebtes Spielzeug, umgeht dieses Earnshaw-Theorem. Bei einer Störung richtet die Kreisel­bewegung ihn wieder so aus, dass die Stabilität erhalten bleibt.

Nun haben Physiker um Oriol Romero-Isart vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quanten­optik und Quanten­information der Österreichischen Akademie der Wissenschaften gemeinsam mit Forschern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching erstmals gezeigt, dass Nano­magneten auch in Ruhe über einem statischen Magnetfeld schweben können. „In der Quantenwelt können winzige Nano­teilchen ruhend über einem Magnetfeld schweben“, sagt Oriol Romero-Isart. „Verantwortlich dafür sind Quanteneigenschaften, die in der makroskopischen Welt nicht wahrnehmbar sind, bei Nano­objekten aber stark hervortreten.“

Albert Einstein hat gemeinsam mit dem niederländischen Physiker Wander Johannes de Haas 1915 nachgewiesen, dass der Magnetismus auf ein quanten­mechanisches Phänomen zurückgeht, nämlich den Elektronenspin. Die Physiker um Romero-Isart zeigen nun, dass dieser Elektronenspin es einem Nanomagneten erlaubt, im Ruhezustand über einem statischen Magnetfeld zu schweben, obwohl das nach dem klassischen Earnshaw-Theorem eigentlich unmöglich ist.

Die Theoretiker haben ausführliche Stabilitäts­analysen abhängig vom Radius des Objekts und der Stärke des externen Magnetfelds gemacht. Diese zeigen, dass in Abwesenheit von Reibungsverlusten (Dissipation) sich ein Gleichgewichts­zustand einstellt. Verantwortlich dafür ist der gyro­magnetische Effekt: Bei Änderung der Magnetisierung tritt wegen der Kopplung der magnetischen Momente mit dem Spin der Elektronen ein mechanisches Drehmoment auf. „Dadurch wird der magnetische Schwebe­zustand des Nano­magneten stabilisiert“, erklärt Cosimo Rusconi. Darüber hinaus konnten die Forscher auch zeigen, dass die Freiheits­grade des schwebenden Nano­magnets miteinander quanten­verschränkt sind.

Oriol Romero-Isart und sein Team sind optimistisch, dass diese schwebenden Nanomagnete bald auch im Labor beobachtet werden können. Sie machen Vorschläge, wie dies unter realistischen Bedingungen gelingen könnte. Schwebende Nano­magnete bieten ein völlig neues Experimentierfeld für die Physiker. Unter instabilen Verhältnissen könnten sie zum Beispiel exotische Quanten­phänomene offenbaren. Auch könnten mehrere Nanomagnete miteinander gekoppelt und die Ausbreitung der Magnetisierung im Labor simuliert und studiert werden. Technisch sind schwebende Nanomagnete zum Beispiel auch als hochsensible Sensoren interessant.

U. Innsbruck / DE