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Neue Quelle für magnetische Monopole entdeckt

14.12.2017

Magnetische Monopole können für gewöhnlich nur unter hohem experimentellen Aufwand realisiert werden. Forscher des Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg (NÖ) haben das Phänomen nun jedoch in einem bekannten und eigentlich bereits sehr genau untersuchten System entdeckt. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschafter im Fachjournal "Physical Review Letters" veröffentlicht.

Magnetische Monopole gibt es nicht. So hat es der schottische Physiker James Clerk Maxwell (1831-1879) in seinen berühmten Gleichungen festgehalten, die die Grundlage der Elektrizitätslehre und des Magnetismus bilden. Während es durchaus einzelne Teilchen mit positiver oder negativer elektrischer Ladung gibt, etwa das Elektron und das Positron, wurden magnetische Monopole in Form von Elementarteilchen bis heute noch nicht entdeckt.

Zur Veranschaulichung kann ein Stabmagnet dienen. Schneidet man ihn in der Mitte durch, so erhält man keine Monopole in Form eines einzelnen Nordpols bzw. Südpols, sondern wieder zwei Stabmagnete mit Nord- und Südpol - also Dipole. Dennoch ist es in den vergangenen Jahren gelungen, Objekte herzustellen, die sich effektiv wie magnetische Monopole verhalten.

Dabei handelt es sich um sogenannte Quasiteilchen, also quantenmechanische Systeme, die zwar aus einer Vielzahl von miteinander wechselwirkenden Teilchen bestehen, deren kollektiver Zustand aber so beschrieben wird, als würden sie gemeinsam ein neues Teilchen bilden. Solche Quasimonopole können etwa in Form bestimmter Kristallstrukturen bestehen, die für gewöhnlich unter großem Aufwand genau zu diesem Zweck erzeugt werden.

Wechselwirkung zwischen Molekül und Helium

Die Forscher um Mikhail Lemeshko vom IST Austria haben einen solchen magnetischen Monopol nun aber in einem System entdeckt, das verhältnismäßig einfach herzustellen ist und auch bereits für andere Zwecke genutzt wird: rotierende Moleküle in winzigen Tröpfchen aus superfluidem Helium. "Es ist eine gängige Methode unter Chemikern, Moleküle in kalten Heliumtröpfchen festzuhalten, um sie genau untersuchen zu können", erklärte Lemeshko gegenüber der APA. "Allerdings war bisher nicht klar, dass die Wechselwirkung zwischen dem Molekül und dem Helium wie ein effektiver, magnetischer Monopol beschrieben werden kann."

Lemeshko beschäftigt sich schon länger mit dieser Wechselwirkung und hat zu ihrer Erklärung unter anderem ein eigenes Quasiteilchen, das Angulon, eingeführt. Die Entdeckung des neuen Merkmals kam den Forschern zufolge dennoch unerwartet und ist einer Zusammenarbeit mit dem Mathematiker Andreas Deuchert geschuldet, die durch den dritten beteiligten Forscher, Enderalp Yakaboylu, zustande kam. "Es war für uns alle eine Überraschung, als wir gesehen haben, dass diese Eigenschaft in den Gleichungen zutage tritt", so Deuchert.

Den Wissenschaftern zufolge könnte die Entdeckung neue Möglichkeiten zur Untersuchung magnetischer Monopole eröffnen. Vor allem der Umstand, dass es sich um eine Flüssigkeit und nicht um einen starren Kristall handelt, könnte laut Lemeshko dazu beitragen, solche Untersuchungen in Zukunft zu vereinfachen.

Service: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.235301

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