In Physik in der Schule wird gelehrt: alle Magnete haben zwei Pole, einen Plus- und einen Minuspol. Wird beispielsweise ein Stabmagnet in der Mitte zerteilt, hat jedes der zwei Stücke wieder zwei Pole. Der abgetrennte Pol entsteht also neu. Aber eine Aussage von 1931 könnte nun für Furore sorgen und die Welt der Physik auf den Kopf stellen.
Was hat Paul Dirac mit den Magneten zu tun?
Im Jahr 1931 stellte der britische Physiker Paul Dirac die These auf, dass es auch einpolige Magnete geben müsste. Diese sogenannten magnetischen Monopole könnten in der Natur vorkommen und würden die gängige Meinung über zweipolige Magnete vollkommen auf den Kopf stellen. Lange galt seine These aber als abwegig, vor allem, da zahlreiche wissenschaftliche Experimente die magnetischen Monopole eben nicht bestätigen konnten.
Erst im Jahr 2009 kamen Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin dem Mysterium ein Stück näher. Sie entdeckten in ihren Experimenten die sogenannten Quasi-Teilchen im Inneren gefrorener Kristalle. Bei den Quasi-Teilchen handelt es sich um praktisch freie magnetische Monopole.
Das Experiment am Helmholtz-Zentrum in Berlin
Um den Quasi-Teilchen und somit einer Vermutung aus den 30er Jahren auf die Spur zu kommen, wurden und werden weltweit immer wieder Experimente durchgeführt, die deren Existenz beweisen oder widerlegen sollten. Am Helmholtz-Zentrum wurden dazu Seltene Erden, genauer gesagt Dysprosium-Titanat, untersucht. Dieses wurde zunächst nahe an den absoluten Nullpunkt gebracht, also auf Minus 272 Grad abgekühlt. Gemeinsam mit Titan und Sauerstoff kristallisiert das Metall Dysprosium in einer bestimmten Form, dem Pyrochlor-Gitter. Dabei ordnen sich Tetraeder-Strukturen aneinander an.
Jedes der Tetraeder enthält insgesamt vier sogenannte Spins. Das sind quasi hantelförmige, magnetische Momente, wovon zwei ihren Nordpol nach außen richten und die anderen zwei ihren Südpol nach außen stellen. Bei Reduzierung der magnetischen Kraft, die auf diese Strukturen einwirkte, konnten die Wissenschaftler Erstaunliches beobachten: die Spins ordneten sich in Ketten an, jeweils abwechselnd ein Nord- und ein Südpol aneinander gereiht. Dabei stellten sie fest, dass die Ausrichtung der Spins wahllos war, sich also das eine Ende sowohl in einen Nord-, wie auch in einen Südpol „verwandeln“ konnte. Sichtbar gemacht wurde das mittels Neutronenstrahlen. Damit wurde nachgewiesen, dass sich die Spins unter bestimmten Voraussetzungen wie freie magnetische Monopole verhielten.
Müssen die Physik-Lehrbücher umgeschrieben werden?
Nein, dafür reichen die Experimente leider nicht aus. Vor allem, da die Quasi-Teillchen mit ihren freien Monopolen nur unter Extremtemperaturen nachgewiesen werden konnten. Die Wissenschaftler suchen hier vor allem nach einem Nachweis bei Raumtemperatur, denn das könnte auch die Anwendung der Entdeckungen erweitern. Forscher Bastian Klemke sieht die freien Monopole als weiterentwickelte Speichermedien, sofern es der Wissenschaft gelingt, die Teilchen jenseits der Minus 272 Grad nachzuweisen.
Zum Umschreiben der Physikbücher ist es also noch zu früh. Dennoch gehen die Forschungen weiter. Zumindest ist aber mittlerweile belegt, was Paul Dirac bereits 1931 vermutet hatte: freie magnetische Monopole gibt es tatsächlich, sie wurden bislang aber lediglich unter Extrembedingungen im Labor nachgewiesen. Die Aussage, dass alle Magnete immer zwei feste Pole besitzen, ist also zumindest kritikfähig, aber noch lange nicht hinfällig. Dazu bedarf es wohl weiterer wissenschaftlicher Experimente.
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