Überblick

Magnetische Monopole in Spineis

Quasiteilchen in Festkörpern können isolierte magnetische Ladungen tragen.

  • Roderich Moessner
  • 06 / 2014 Seite: 41

Jeder Festkörper ist ein kleines Universum für sich: Aufgrund von Wechselwirkungen zwischen seinen Bausteinen lassen sich grundlegend neue kollektive Phänomene beobachten. So können selbst elementare Teilchen wie das Elektron in zwei Teile zerfallen und sogar neue Quasiteilchen entstehen, die gar kein Pendant in der Elementarteilchenphysik haben. Ein Beispiel für solch ein Mini-Universum ist ein magnetisches Material namens Spineis, in dem sich magnetische Nord- und Südpole beliebig weit voneinander entfernen können und dann als magnetische Monopole auftreten.

Die Ladung eines Elektrons ist quantisiert, und zwar in Einheiten von e  =  –1,6 ×  10–19 C. Und da das Elektron als Elementarteilchen unteilbar ist, kann es in Elektronensystemen auch keine Teilchen geben, deren Ladung nur ein Bruchteil von e beträgt − das sagt einem der gesunde Menschenverstand. Ebenso wissen wir, dass jeder Magnet, unabhängig von seiner Größe − vom Stabmagneten bis zum magnetischen Moment des Elektrons − über einen Nord- und einen Südpol verfügt und es folglich keine magnetischen ­Monopole, also isolierte magnetische Nord- und Südpole, geben kann: Alle Magnete sind Dipole. Diese Aussage hat bisher alle experimentellen Tests bestanden. So ist die lange Suche nach elementaren magnetischen Monopolen − dem magnetisch geladenen Pendant des Elektrons, dessen Existenz schon Dirac postuliert hat [1] − bis heute ergebnislos verlaufen.

Nun ist es mit dem gesunden Menschenverstand so eine Sache. Die obigen scheinbar offensichtlichen Aussagen sind so nicht richtig. Vielmehr exis­tieren in Festkörpern Quasiteilchen mit elektrischer Ladung e/3, und in gewissen Magneten „zerbrechen“ Dipole zu frei beweglichen magnetischen Monopolen. Diese unerwarteten Phänomene, bei denen scheinbar unzertrennliche Freiheitsgrade zerbrechen, sind unter dem Begriff der Fraktionierung zusammengefasst und sollen im Folgenden erläutert werden. Dabei zeigt sich, dass man aus kontraintuitiven Phänomenen wie der Fraktionierung einige allgemeine Lehren über die Eigenschaften von Vielteilchensystemen ziehen kann.
Die Entdeckung leitfähiger Polymere im Jahr 1976 durch Alan Heeger, Alan G. MacDiarmid, Hideki Shirakawa [2] war in vielerlei Hinsicht bahnbrechend − nicht zuletzt, weil sie den Grundstein für die ­organische Elektronik legte. Sie zeigten, dass Poly­acetylen (Abb. 1, unten) − die Polymerkette (CH)n − durch Dotierung elektrisch leitend wird. Bei der genauen ­Untersuchung der elektronischen Eigenschaften solcher Ketten tauchten Anregungen mit völlig unerwarteten Quantenzahlen auf: So konnte ein Elektron in zwei Teile zerbrechen bzw. es trennten sich magnetische und elektrische Aspekte eines Elektrons voneinander [3].

In zweidimensionalen Elektronengasen gelang wenige Jahre später die Entdeckung des fraktionellen Quanten-Hall-Effekts, aus dessen theoretischer Erklärung die Exis­tenz von Quasiteilchen mit gebrochenzahliger Ladung folgte − Robert Laughlin hatte die oben erwähnten Quasiteilchen mit Ladung e/3 vorhergesagt, die seither mit seinem Namen verbunden sind [4]. Inzwischen sind viele theoretische Modelle bekannt, in denen verschiedene, teils recht exotische Formen von Fraktionierung auftreten. Die Schwierigkeit besteht nun darin, entsprechende experimentelle Systeme zu finden. Die hier diskutierten magnetischen Monopole sind das erste Beispiel von Fraktionierung in einem dreidimensionalen Magneten [5]...

Share |
thumbnail image: Magnetische Monopole in Spineis

Aktuelles Heft

Inhaltsverzeichnis
11 / 2018

thumbnail image: PJ 11 2018

Smarte Experimente

Vielteilchenlokalisierung

Frustriert in Bewegung

Arnold Sommerfeld

Zugang Physik Journal

Nur DPG-Mitglieder haben vollen Zugriff auf alle Hefte und Online-Inhalte des Physik Journal und müssen sich dafür mit ihrer Mitgliedsnummer registrieren » 

Erst wenn die Artikel des Physik Journal älter als drei Jahre sind, stehen sie kostenlos und frei zugänglich zur Verfügung

Als DPG-Mitglied erhalten Sie den Physik Journal Newsletter, wenn Sie sich dafür bei der DPG registrieren »

Mediadaten

Die Mediadaten für Werbe­mög­lich­kei­ten im Phy­sik Jour­nal finden Sie als PDFs hier:
2018 deutsch / englisch

Webinar

Vom Raytracing-Modell zum digitalen Prototypen

  • 22. November 2018

Raytracing ist die Stan­dard­methode zur Ent­wick­lung von opti­schen Sys­te­men und wird ein­ge­setzt, um diese Sys­teme vir­tuell auszu­legen und Vor­her­sagen über ihre opti­schen Ei­gen­schaf­ten zu ma­chen. Ein­satz­be­rei­che sol­cher digi­ta­ler Pro­to­ty­pen sind bei­spiels­weise die Ent­wick­lung von Laser- oder Ab­bil­dungs­sys­te­men.

Alle Webinare »

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer