Physik Journal 6 / 2014

Zwei Tage zuvor war ich in Bordeaux eingetroffen, eine Woche nach den Experimentatoren und ihrem Equipment. Nach dem Einchecken am „Novespace-Schalter“ erhielten wir Medienvertreter zunächst ein ausführliches Briefing. Ulrike Friedrich, Projektmanagerin für die DLR-Parabelflugkampagnen, erläuterte uns die Vor- und Nachteile der verschiedenen Forschungsmöglichkeiten in der Schwerelosigkeit, mit den verschiedenen Zeit­skalen und Güten bei der Konstanz der Mikrogravitation. Novespace garantiert bei seinen Flügen eine Spanne von plusminus 0,05 g...

Der Ozean beherbergt das größte zusammenhängende Ökosystem der Erde und ist die Geburtsstätte des Lebens. Gleichzeitig ist er ein wichtiger Rohstofflieferant – reich an nachwachsender Nahrung, die jedoch infolge menschlicher Aktivitäten wie zunehmender Überfischung oder Meeresverschmutzung gefährdet ist. Er bedeckt rund 70 Prozent der Erdober­fläche und spielt für das Klima auf der Erde eine große Rolle. Doch die Bedeutung des Ozeans für den Menschen wird erst in jüngster Zeit in zunehmendem Maße wahrgenommen [1]. Um ein genaues Bild der heutigen und zukünftigen Veränderungen zu zeichnen, brauchen wir viel mehr und genauere Informationen und Daten aus allen Bereichen des Ozeans.

Der menschliche Einfluss verändert die Strahlungsbilanz der Atmosphäre durch den Eintrag von Kohlendioxid (CO2), Methan und ähnlichen Gasen in die Atmosphäre. Die dadurch zunehmende infrarote Rückstrahlung erwärmt die oberen Wasserschichten. Turbulente Vermischung und die Meeresströmungen verteilen das warme Wasser ungleichmäßig über den Ozean. Die Erwärmung des Meereswassers verändert den Lebensraum Ozean und beeinflusst seine Lebewesen – das Phytoplankton-Vorkommen ändert sich, Fischschwärme wandern in kühlere Regionen aus, und Korallenriffe leiden unter Hitzestress. Warmes Wasser kann zudem weniger Gase aus der Atmosphäre aufnehmen, insbesondere Kohlen­dioxid und Sauerstoff. In der Folge wachsen sauerstoffarme Zonen im Ozean und verdrängen etwa große Fische. Langfristig verschärft sich auch das Klima­problem: Ein wärmerer Ozean nimmt weniger als die bisherigen rund 30 Prozent des durch menschliches Handeln zusätzlich ausgestoßenen Treibhausgases CO2 aus der Atmosphäre auf – bedingt durch die geringere Löslichkeit und die zu erwartende Veränderung der Tiefenzirkulation. Zudem steigt der Meeresspiegel an. Dieser Effekt wird ungefähr die Hälfte des vom Weltklimarat IPCC erwarteten globalen Meeresspiegelanstiegs von 80 Zentimeter bis zum Jahr 2100 ausmachen. Eine große Zahl von Megastädten mit über 10 Millionen Einwohnern liegt heute in Küstenregionen; sie werden aktiv auf den Anstieg des Meeresspiegels reagieren müssen. Tropische Koralleninseln und Länder wie Holland, Dänemark oder Norddeutschland machen sich Sorgen um den Küstenschutz.

Die Ladung eines Elektrons ist quantisiert, und zwar in Einheiten von e = –1,6 ×  10–19 C. Und da das Elektron als Elementarteilchen unteilbar ist, kann es in Elektronensystemen auch keine Teilchen geben, deren Ladung nur ein Bruchteil von e beträgt − das sagt einem der gesunde Menschenverstand. Ebenso wissen wir, dass jeder Magnet, unabhängig von seiner Größe − vom Stabmagneten bis zum magnetischen Moment des Elektrons − über einen Nord- und einen Südpol verfügt und es folglich keine magnetischen ­Monopole, also isolierte magnetische Nord- und Südpole, geben kann: Alle Magnete sind Dipole. Diese Aussage hat bisher alle experimentellen Tests bestanden. So ist die lange Suche nach elementaren magnetischen Monopolen − dem magnetisch geladenen Pendant des Elektrons, dessen Existenz schon Dirac postuliert hat [1] − bis heute ergebnislos verlaufen.

Nun ist es mit dem gesunden Menschenverstand so eine Sache. Die obigen scheinbar offensichtlichen Aussagen sind so nicht richtig. Vielmehr exis­tieren in Festkörpern Quasiteilchen mit elektrischer Ladung e/3, und in gewissen Magneten „zerbrechen“ Dipole zu frei beweglichen magnetischen Monopolen. Diese unerwarteten Phänomene, bei denen scheinbar unzertrennliche Freiheitsgrade zerbrechen, sind unter dem Begriff der Fraktionierung zusammengefasst und sollen im Folgenden erläutert werden. Dabei zeigt sich, dass man aus kontraintuitiven Phänomenen wie der Fraktionierung einige allgemeine Lehren über die Eigenschaften von Vielteilchensystemen ziehen kann.
Die Entdeckung leitfähiger Polymere im Jahr 1976 durch Alan Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa [2] war in vielerlei Hinsicht bahnbrechend − nicht zuletzt, weil sie den Grundstein für die ­organische Elektronik legte. Sie zeigten, dass Poly­acetylen (Abb. 1, unten) − die Polymerkette (CH)n − durch Dotierung elektrisch leitend wird. Bei der genauen ­Untersuchung der elektronischen Eigenschaften solcher Ketten tauchten Anregungen mit völlig unerwarteten Quantenzahlen auf: So konnte ein Elektron in zwei Teile zerbrechen bzw. es trennten sich magnetische und elektrische Aspekte eines Elektrons voneinander [3].

In zweidimensionalen Elektronengasen gelang wenige Jahre später die Entdeckung des fraktionellen Quanten-Hall-Effekts, aus dessen theoretischer Erklärung die Exis­tenz von Quasiteilchen mit gebrochenzahliger Ladung folgte − Robert Laughlin hatte die oben erwähnten Quasiteilchen mit Ladung e/3 vorhergesagt, die seither mit seinem Namen verbunden sind [4]. Inzwischen sind viele theoretische Modelle bekannt, in denen verschiedene, teils recht exotische Formen von Fraktionierung auftreten. Die Schwierigkeit besteht nun darin, entsprechende experimentelle Systeme zu finden. Die hier diskutierten magnetischen Monopole sind das erste Beispiel von Fraktionierung in einem dreidimensionalen Magneten [5]...