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Mittwoch, 29.06.2016
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Magnetismus: Forscher erzeugen Monopol

Manipulation im Quantengas lässt erstmals einen Nordpol ohne Südpol entstehen

Von der Kompassnadel bis zum Kernspintomographen: Magnetismus ist ein faszinierendes Phänomen. Jeder Magnet hat zwei untrennbare Enden, einen Nord- und einen Südpol – eigentlich. Doch finnische und amerikanische Forscher haben nun im Labor einen einzelnen magnetischen Pol erzeugt, wie sie im Fachjournal "Nature" berichten. Ein solcher Monopol soll zwar theoretisch existieren, gefunden wurde er aber bisher nie. Seine Entdeckung könnte daher so bedeutend sein wie die Entdeckung des Elektrons vor 120 Jahren.
{1l}Wer einmal mit Magneten experimentiert hat, weiß: Es gibt immer zwei Pole. Nord- und Südpol ziehen sich an, Pole gleicher Art stoßen sich ab. Eine Kompassnadel richtet sich daher im Magnetfeld der Erde entlang der magnetischen Feldlinien aus. Und wenn man einen Stabmagneten in der Mitte zwischen den Polen teilt? Man erhält nicht zwei getrennte Pole, sondern lediglich zwei Magneten mit je zwei Polen, wiederum einer an jedem Ende. Bis hinunter auf atomare Ebene lassen sich die zwei Pole so nicht voneinander trennen.

Suche nach dem Monopol


Die Existenz eines einzelnen magnetischen Pols, eines sogenannten Monopols, getrennt von jeglichem Gegenpol, ist ein vieldiskutierter Gegenstand der Physik. Bereits vor fast 85 Jahren sagte der Quantenphysiker Paul Dirac voraus, dass ein magnetischer Monopol in Form einer Art Elementarteilchen existieren kann. Ein solches Teilchen ähnelt einem Elektron – statt elektrischer Elementarladung trägt es jedoch eine magnetische Ladung.

Bemerkenswert ist, dass nach gängigen Modellen der Quantenphysik solche Monopole im Universum recht häufig sein müssten. Aber trotz intensiver Suche an unterschiedlichsten Stellen, von Teilchenbeschleunigern bis Mondgestein, konnten Wissenschaftler den magnetischen Monopol bislang nicht nachweisen. Er ist eins der bislang ungelösten Rätsel der Physik.


Entdeckung im Quantengas


Mit Hilfe eines Einstein-Bose-Kondensats haben Wissenschaftler um Mikko Möttönen von der Aalto-Universität in Finnland und David S. Hall vom Amherst College in den USA jetzt einen magnetischen Monopol künstlich erzeugt. Solche Kondensate stellen einen gasförmigen Zustand eines Gases sehr nahe am absoluten Nullpunkt dar, indem sich kein Atom von den anderen unterscheiden lässt. Sie ermöglichen die Beobachtung quantenmechanischer Effekte auf makroskopischer Ebene. Ausgehend von theoretischen Berechnungen manipulierten die Wissenschaftler das Magnetfeld dieses Kondensats in einer festgelegten Sequenz mit von außen angelegten Magnetfeldern.

Magnetischer Monopol im Einstein-Bose-Kondensat.

Magnetischer Monopol im Einstein-Bose-Kondensat.

Mit Erfolg: Im Kondensat bildeten sich spezifische Strömungen und Wirbel. Sie zeigen nach Angaben der Forscher eindeutig an, dass sich das Gas wie unter dem Einfluss eines magnetischen Monopols in seinem Inneren verhält. Die magnetischen Feldlinien verlaufen dabei von innen nach außen, im Modell erscheint das Kondensat dadurch wie ein stachliger Igel. Mit einer von Hall und seinen Kollegen entwickelten Methode lassen sich diese Wirbel sogar fotografieren.

Zukunftsziel: Monopol als Energiequelle?


"Das Erzeugen eines künstlichen magnetischen Monopols liefert uns bislang unerreichte Einsichten über das Wesen des natürlichen magnetischen Monopols – wenn dieser denn tatsächlich existiert", erklärt Hall. "Unsere Leistung eröffnet der Quantenforschung ganz neue Möglichkeiten. Anteil an diesem bedeutenden Durchbruch zu haben, fühlt sich unglaublich an", freut sich Möttönen, und verkündet weitere Ziele: "Die Synthetisierung des Monopols ist der Beginn zahlreicher neuer Durchbrüche in der quantenphysikalischen Forschung. Wir wollen unsere Versuche fortführen, um vollkommen gleiche Eigenschaften wie beim echten magnetischen Monopol zu erreichen."

Hinter der Suche nach dem magnetischen Monopol steckt mehr als nur der Ehrgeiz, ein altes wissenschaftliches Rätsel zu lösen. Einigen Theorien zufolge ist die Energie nur eines einzelnen Monopol-Teilchens so groß, dass sie in der Batterie eines Elektroautos für mehrere Kilometer Fahrstrecke ausreicht. Demnach ist es durchaus vorteilhaft, dass die Monopole noch nicht in Teilchenbeschleunigern aufgetaucht sind: Zweier Monopole entgegengesetzter Polarität würden bei einer Kollision mit der Wucht von etwa einem Kilogramm Dynamit explodieren.
(Nature, 2014; doi: 10.1038/nature12954)
(Aalto University / Amherst College, 31.01.2014 - AKR)