Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Magnetische Monopole auf Wanderschaft

18.10.2010
Forschende machen Bewegung magnetischer Monopole in einer Anordnung von Nanomagneten sichtbar.

Seit Jahrzehnten suchen Forschende nach magnetischen Monopolen – einzelnen magnetischen Ladungen, die sich wie einzelne elektrische Ladungen alleine bewegen könnten.

Denn normalerweise treten magnetische Pole immer nur in Paaren auf. Nun ist es einem Team von Forschenden des Paul Scherrer Instituts und des University College Dublin gelungen, Monopole als Quasiteilchen in einer Anordnung von nanometergrossen Magneten zu erzeugen und ihre Bewegung unmittelbar mit Hilfe eines Mikroskops an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS), das magnetische Strukturen sichtbar macht, zu beobachten.

Wie die elementaren Monopole, die zuerst vom britischen Physiker Paul Dirac 1931 vorhergesagt wurden, ist auch jeder dieser Monopole durch einen „String“, eine Art Verbindungsband, mit einem Partner entgegengesetzter Ladung verknüpft. Die beiden Monopole können sich dabei aber weitgehend unabhängig voneinander bewegen. Diese Ergebnisse sind nicht nur wissenschaftlich interessant, sondern könnten auch die Grundlage für die Entwicklung zukünftiger elektronischer Geräte bilden. Sie wurden am 17. Oktober in Nature Physics online publiziert.

Magnetische Pole treten immer nur paarweise auf – teilt man einen Stabmagneten, der immer einen Nord- und einen Südpol hat, so bekommt man nicht einzelne Pole, sondern wieder zwei Magnete mit je einem Nord- und einem Südpol. Das ist ähnlich wie bei einem Stab, bei dem man nicht zwei einzelne Enden bekommt, wenn man ihn halbiert, sondern zwei Stäbe mit je zwei Enden. Wie aber schon der britische Physiker schweizerischer Herkunft Paul Dirac in den Dreissigerjahren vorhergesagt hat, können die einzelnen Pole auch weit voneinander entfernt sein, solange nur eine magnetische Verbindung zwischen ihnen besteht – der so genannte Dirac-String. Im letzten Jahr ist es Forschern erstmals gelungen, derartige Monopole in einem magnetischen Material zu erzeugen. Allerdings konnten die zugehörigen Dirac-Strings nur indirekt mit Hilfe von Neutronenstreuung und auch nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt beobachtet werden.

Nanomagnete bilden Monopole

Nun ist es Wissenschaftlern des Paul Scherrer Instituts und des University College Dublin gelungen, magnetische Monopole und die dazugehörigen Dirac-Strings bei Raumtemperatur direkt zu beobachten. Die Forschenden haben dafür eine zweidimensionale Anordnung von winzigen Magneten hergestellt – jeder Magnet war nur rund 500 Nanometer (= Millionstel Millimeter) lang und 150 Nanometer breit. So haben sie ein künstliches zweidimensionales magnetisches Material geschaffen, deren kleinste Bestandteile die Nanomagnete sind. In dem Experiment waren die Nanomagnete in einem Sechseckmuster angeordnet, so dass jeder an seinem Ende auf zwei weitere stiess. Wegen der entfernten Ähnlichkeit mit der Anordnung von Atomen in gewöhnlichem Eis wird diese Struktur als „künstliches Spin-Eis“ bezeichnet. „Für unser Experiment haben wir die Nanomagnete zunächst so vorbereitet, dass an den Begegnungspunkten abwechselnd zwei Nordpole und ein Südpol oder zwei Südpole und ein Nordpol aufeinanderstiessen.“ erklärt Laura Heyderman, die das Projekt von Seiten des PSI leitet. „Klappt man bei einer solchen Anordnung die Magnetisierungsrichtung eines Magneten mit Hilfe eines äusseren Magnetfelds um, entstehen an den Enden des Magneten zwei Defekte in der ursprünglichen Anordnung. Diese Defekte verhalten sich wie magnetische Monopole.“ so Heyderman weiter.

„Macht man das äussere magnetische Feld stärker, klappt bei benachbarten Magneten die Magnetisierung ebenfalls um. Dieses Umklappen geht dann wie bei einer Reihe Dominosteine weiter, so dass die beiden Monopole eines Paares auseinanderwandern – der eine immer nach rechts, der andere nach links“ erklärt Elena Mengotti, die am PSI über künstliches Spin-Eis doktoriert und den grössten Teil der Experimente durchgeführt hat. „Dabei bleiben die beiden Monopole stets durch einen eindimensionalen Pfad von Magneten verbunden, bei denen der Nordpol des einen an den Südpol des nächsten stösst, und die so den Dirac-String bilden. Auch wenn man dann das äussere Feld wieder abschaltet bleiben die Monopole am Ort – sozusagen ‚eingefroren’ im Spin-Eis.“

Synchrotronlicht zeigt Magnetismus

An einem Messplatz für magnetische Untersuchungen an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts konnten die Forschenden beobachten, wie sich die Magnetisierungsrichtung der einzelnen Nanomagnete verändert und so zeigen, wie sich die Monopole bewegen. Hier kann man nämlich die Magnetisierung der Magnete direkt abbilden und somit erstmals direkt die Bewegung der Monopole und damit das Wachsen des Dirac-Strings sichtbar machen. Diese Experimente konnten bei Raumtemperatur durchgeführt werden.

Die Theorie hinter dem Experiment

Eine lawinenartige Ummagnetisierung entlang eines eindimensionalen Dirac-Strings, wie sie hier beobachtet werden konnte, ist ein neuartiges magnetisches Phänomen und unterscheidet sich stark von Vorgängen in anderen magnetischen Materialien wie sie etwa gegenwärtig in magnetischen Festplatten verwendet werden. Das beobachtete Verhalten konnte in theoretischen Studien des Teams am University College Dublin erklärt werden. „Unsere Ergebnisse stellen nicht nur einen Durchbruch in der direkten Beobachtung von Monopolen und Dirac-Strings in künstlichem Spin-Eis dar, sondern haben auch zum ersten Mal gezeigt, wie deren Bewegung manipuliert werden kann.“ erklärt Hans-Benjamin Braun, der am University College für das Projekt verantwortlich ist.

„Digitale Bauteile, die magnetische Ströme nutzen“

„Die Erkenntnisse können auch zentral für die Architektur zukünftiger magnetischer Speicher sein. So geht man im Allgemeinen davon aus, dass die nächste Generation von Speichermedien aus einzelnen isolierten Makrospins – wie unseren Nanomagneten – bestehen wird.“ so Braun. Laura Heyderman fügt an: „Als nächstes wollen wir herausbekommen, wie man die Monopole noch gezielter auf kleinsten Skalen manipulieren kann, um sie als Speicher oder für logische Operationen einsetzen zu können. Die Idee ist, digitale Bauteile zu entwickeln, in denen man Ströme magnetischer Monopole anstelle elektrischer Ströme nutzen würde.“

Das Team

Elena Mengotti ist Doktorandin am Paul Scherrer Institut. Sie wird vom Schweizerischen Nationalfonds unterstützt und hat die experimentellen Arbeiten im Rahmen des Projekts durchgeführt.
Frithjof Nolting and Arantxa Fraile Rodríguez vom PSI sind Fachleute für magnetische Spektroskopie und Mikroskopie. Sie haben die experimentellen Arbeiten an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS angeleitet.
Hans-Benjamin Braun (Gruppenleiter) and Remo Hügli (Postdoktorand) vom University College Dublin haben die Theorie zu dem Experiment entwickelt und numerische Simulationen des Systems durchgeführt.

Laura Heyderman (Leiterin der Gruppe “Magnetische Nanostrukturen” am Paul Scherrer Institut) und Hans-Benjamin Braun haben die gemeinsame Forschungsarbeit geleitet.

Text: Paul Piwnicki

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut (PSI) entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1.400 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Kontakt:

Dr. Laura Jane Heyderman & Elena Mengotti, Labor für Mikro- und Nanotechnologie, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Telefon: +41 (0)56 310 2613; +41 (0)56 310 5146, E-Mail: laura.heyderman@psi.ch; elena.mengotti@psi.ch

[Deutsch, Englisch, Italienisch]

Prof. Hans-Benjamin Braun, School of Physics, University College Dublin, Dublin 4, Ireland, Telefon: + 353 1 716 2564, E-Mail: beni.braun@ucd.ie

[Deutsch, Englisch]

Originalveröffentlichung:

Elena Mengotti, Laura J. Heyderman, Arantxa Fraile Rodriguez, Frithjof Nolting, Remo V. Hügli, and Hans-Benjamin Braun, Real space observation of emergent magnetic monopoles and associated Dirac strings in artificial kagome spin ice. Nature Physics Advance Online Publication 17 October 2010; DOI: 10.1038/NPHYS1794.

Dagmar Baroke | idw
Weitere Informationen:
http://www.psi.ch/media/magnetische-monopole

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Perspektiven durch gespiegelte Systeme
05.12.2016 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Flüssiger Wasserstoff im freien Fall

05.12.2016 | Maschinenbau

Forscher sehen Biomolekülen bei der Arbeit zu

05.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungsnachrichten