Neue Erscheinungsform magnetischer Monopole entdeckt

Bereits im 19 Jahrhundert erkannte man, dass die physikalischen Gesetze zur Beschreibung elektrischer Phänomene denen zur Beschreibung magnetischer Phänomene erstaunlich ähneln. Um die Symmetrie perfekt zu machen fehlte allerdings ein einziger Teil: magnetische Monopole. Während magnetische Monopole in Form von Elementarteilchen noch immer nicht entdeckt wurden, gab es in den letzten Jahren doch einige Erfolge darin, Objekten herzustellen, die sich effektiv wie magnetische Monopole verhalten. Jetzt haben Wissenschaftler am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) gezeigt, dass es viel einfacher ist, solche effektiven magnetischen Monopole zu erhalten: Sie konnten zeigen, dass suprafluide Heliumtröpfchen auf in sie eingetauchte Moleküle wie magnetische Monopole wirken. Experimente mit solchen Systemen gibt es schon lange, diese interessante Eigenschaft war bisher aber unbemerkt geblieben.

Hat man es mit elektrischer Ladung zu tun, so ist es leicht, die positiven und negativen Pole zu trennen: Ein Elektron mit seiner negativen Ladung stellt einen negativen Pol dar, ein Proton mit seiner positiven Ladung bildet den anderen Pol, und jedes der beiden ist ein einzelnes Teilchen, das vom anderen getrennt werden kann. Bei Magneten erscheint dies zunächst unmöglich, denn sie haben immer zwei Pole, den Nord- und den Südpol, die sich nicht voneinander trennen lassen. Schneidet man einen Dipolmagneten in zwei Hälften erhält man zwei Dipolmagneten, schneidet man sie wieder durch, ergibt das noch kleinere Dipolmagnete, aber es wird auf diese Weise nicht möglich sein, den Nord- vom Südpol zu trennen.

Mit diesem Rätsel konfrontiert haben Wissenschaftler große Anstrengungen unternommen, um Systeme zu konstruieren, die effektiv als magnetische Monopole fungieren; mit Erfolg: bestimmte Kristallstrukturen wurden dazu gebracht, sich wie solche Monopole zu verhalten. Doch nun entdeckte ein interdisziplinäres Team aus theoretischen Physikern und einem Mathematiker, dass dieses Phänomen auch in molekularen Systemen auftritt, die nicht speziell dafür entwickelt werden müssen, sondern seit langem bekannt sind.

Nanometergroße Tropfen von suprafluidem Helium mit darin eingetauchten Molekülen sind bereits seit mehreren Jahrzehnten Gegenstand von Untersuchungen und es ist auch eines der Forschungsgebiete von Professor Mikhail Lemeshko und Postdoc Enderalp Yakaboylu. Um die mathematische Beschreibung solcher rotierenden Moleküle drastisch zu vereinfachen, postulierte Professor Lemeshko ein neues Quasiteilchen, und konnte Anfang dieses Jahres auch zeigen, dass dieses Quasiteilchen, das sogenannte Angulon, Beobachtungen der letzten 20 Jahre erklären kann. Enderalp Yakaboylu benutzte das Angulon bereits, um zuvor unbekannte Eigenschaften dieser Systeme vorherzusagen. Das Merkmal, das sie nun entdeckten, kam jedoch völlig unerwartet und zeigte sich erst, nachdem sie mit dem Mathematiker Andreas Deuchert in Austausch getreten waren. Eine solche Zusammenarbeit ist für ein stark interdisziplinäres Institut wie IST Austria nicht ungewöhnlich, da dort die Interaktion zwischen Forschungsgruppen verschiedener Bereiche gefördert wird. „Es war für uns alle eine Überraschung als wir gesehen haben, dass diese Eigenschaft in den Gleichungen zutage tritt“, sagt Andreas Deuchert.

„In den bisherigen Experimenten hat man Systeme eigens so konstruiert, dass sie zu Monopolen werden. Hier ist es umgekehrt“, erklärt Enderalp Yakaboylu. „Das System war bekannt. Rotierende Moleküle wurden schon lange untersucht und erst danach stellte sich heraus, dass die magnetischen Monopole die ganze Zeit darin enthalten waren. Das ist eine völlig andere Sichtweise.“Den Forschern zufolge eröffnet die Entdeckung neue Möglichkeiten für die Untersuchung magnetischer Monopole, da sich ihre magnetischen Monopole von anderen bisher bekannten Systemen unterscheiden. „Der Unterschied ist, dass wir es mit einem molekularen System zu tun haben. Unsere magnetischen Monopole bilden sich in einer Flüssigkeit und nicht in einem festen Kristall, und das kann man nutzen, um die Untersuchung von magnetischen Monopolen zu vereinfachen“, erklärt Professor Mikhail Lemeshko.

Publikation

E. Yakaboylu, A. Deuchert, and M. Lemeshko. 2017. Emergence of Non-Abelian Magnetic Monopoles in a Quantum Impurity Problem. Physical Review Letters. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.235301