Künstliche magnetische Monopole nachgewiesen

  • 31. May 2013

Ein vor 80 Jahren postuliertes Phänomen könnte extrem kompakte und langlebige Datenspeicher liefern.

Egal wie oft man ihn teilt, ein Stabmagnet weist immer einen Nord- und einen Südpol auf. Anfang der 30er-Jahre des vorigen Jahrhunderts jedoch postulierte der Physiker Paul A. M. Dirac ein Teilchen, das als magnetisches Pendant des Elektrons nur einen der beiden Pole besitzen und nur eine magnetische Elementarladung tragen sollte. Auf der Suche nach einer einfachen Methode zur Beobachtung von Skyrmionen genannten magnetischen Wirbeln kooperierten Forscher der TU München mit einer Gruppe an der TU Dresden, die ein Magnet-Kraftmikroskop besitzt. Als sie mit diesem Mikroskop die Oberfläche ihrer Materialien abtasteten, beobachteten sie die Wirbel nicht nur zum ersten Mal direkt. Die Physiker stellten auch fest, dass benachbarte Skyrmionen miteinander verschmelzen. Am Verschmelzungspunkt konnten sie einen Monopol nachweisen, der ähnliche Eigenschaften hat, wie das von Dirac postulierte Elementarteilchen.

Abb.: Gitter aus Spinwirbeln. (Bild: TUM)

Abb.: Gitter aus Spinwirbeln. (Bild: TUM)

Computersimulationen von Kooperationspartnern aus Köln und Experimente an der Forschungs-Neutronenquelle FRM II der TU München in Garching zeigten, dass hier magnetische Monopole am Werk waren, die die Wirbel wie ein Reißverschluss zusammen ziehen. Damit ist es nicht nur möglich, in Skyrmionen gespeicherte Informationen zu lesen, sondern sie auch wieder zu löschen.

Eine wichtige Anwendung der magnetischen Wirbel könnten zukünftige, extrem kompakte und langlebige Datenspeicher sein. Während man für ein magnetisches Speicherbit einer modernen Festplatte etwa eine Million Atome braucht, sind die kleinsten bekannten Skyrmionen in magnetischen Materialien nur etwa 15 Atome groß. Gleichzeitig benötigt das Verschieben der Wirbel 100.000 mal weniger Strom als das Verschieben magnetischer Speicherbits auf der Basis konventioneller magnetischer Materialien, so dass man Informationen besonders kontrolliert verarbeiten könnte. Die vielleicht interessanteste Eigenschaft der Skyrmionen ist jedoch, dass sie wie ein Knoten in einer Schnur, besonders stabil sind.

Abb.: Durch die Bewegung des Monopols (Verschmelzungspunkts) entlang der Wirbelschläuche verschwinden oder entstehen Skyrmionen. (Bild: Ch. Schütte, U. Köln)

Abb.: Durch die Bewegung des Monopols (Verschmelzungspunkts) entlang der Wirbelschläuche verschwinden oder entstehen Skyrmionen. (Bild: Ch. Schütte, U. Köln)

Entdeckt wurden die magnetischen Wirbelstrukturen im Jahre 2009 bei Neutronenstreu-Experimenten an Mangansilizid in der Forschungs-Neutronenquelle FRM II durch ein Team um Christian Pfleiderer, Professor für magnetische Materialien an der TU München und Achim Rosch aus Köln. Seit dem verzeichnet das neue Forschungsgebiet weltweit großes Interesse und rasante Fortschritte.

„Waren zunächst extrem tiefe Temperaturen nötig, so sind heute auch Materialien bekannt, in denen Skyrmionen bei Raumtemperatur auftreten“, sagt Pfleiderer. „Mit der magnetischen Kraftmikroskopie haben wir endlich eine Methode zur Hand, die uns zum ersten mal erlaubt die Skyrmionen in Anwendungsrelevanten Systemen direkt zu beobachten. Dies ist ein entscheidender Schritt in Richtung einer echten technischen Nutzung.“

TUM / U. Köln / PH

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