Magnetische Monopole in ultrakaltem Gas beobachtet

Magnete bestehen normalerweise aus einem Nord- und einem Südpol, selbst wenn man sie in immer kleinere Stücke zerteilt. Die Feldlinien ihres Magnetfeldes sind geschlossen: Aus dem Nordpol treten sie aus, in den Südpol laufen sie wieder hinein, und im Innern des Magneten schließt sich der Kreis. Es gibt jedoch Theorien, die vorhersagen, dass sie auch einem einzigen Punkt entspringen oder darin enden können wie bei einer elektrischen Ladung. Solche magnetischen Monopole wurden bereits in verschiedenen Materialien wie etwa sogenanntem Spineis oder Flüssigkristallen entdeckt. Ein Forscherteam um Michael Ray vom Amherst College in Massachusetts hat nun erstmals magnetische Monopole in einem Gas aus ultrakalten Atomen erzeugt und direkt beobachtet. Das kalte Gas erlaube es, kontrollierte Experimente mit magnetischen Monopolen durchzuführen, berichten die Forscher im Fachmagazin „Nature“.

Bereits 1931 entwickelte der Physiker Paul Dirac eine Theorie, nach der es magnetische Monopole als Quellen von Magnetfeldern geben müsste. Damit versuchte er zu erklären, warum die elektrische Ladung nicht jeden beliebigen Wert annehmen kann, sondern nur ganzzahlige Vielfache der Elementarladung. Aus seinen Berechnungen leitete er die Existenz sogenannter Dirac-Strings ab – gewissermaßen dünne Schläuche, die an ihrem Ende magnetische Monopole tragen. Solche magnetischen Monopole wurden 2009 erstmals in Spineis entdeckt und danach auch in weiteren, sehr unterschiedlichen Materialien wie Flüssigkristallen, metallischen Ferromagneten und Multiferroika.

Ray und seinen Kollegen gelang es nun erstmals, ein Vielteilchensystem im Labor zu schaffen, mit dem sich gezielt magnetische Monopole erzeugen lassen. Dazu stellten die Forscher zunächst ein Bose-Einstein-Kondensat aus ultrakalten Rubidiumatomen her. Mithilfe einer komplexen Anordnung mehrerer Spulen erzeugten sie dann ein Magnetfeld, um die Spins der kalten Atome – und das damit verknüpfte magnetische Moment – in eine Drehbewegung zu versetzen. Und zwar so, dass die Spins durch ihre Rotation ein eigenes, „synthetisches“ Magnetfeld erzeugen, dessen Feldlinien ähnlich wie Sonnenstrahlen aus einem einzigen Punkt entspringen. Auf diese Weise kreierten Ray und seine Kollegen einen magnetischen Monopol, den sie durch Messungen der Teilchendichte sichtbar machen konnten: Er entstand jeweils an den Stellen, an denen die Wolke aus kalten Atomen gewissermaßen ein Loch hatte. Zum Vergleich führten die Forscher numerische Simulationen durch; die Messergebnisse passten gut zu den theoretischen Vorhersagen.

„Das Besondere ist, dass man in diesen Bose-Einstein-Kondensaten extrem kontrollierte Experimente machen kann“, kommentiert Christian Pfleiderer von der Technischen Universität München, der nicht zur Arbeitsgruppe gehört, das neue Experiment. In kalten Gasen lassen sich verschiedene Parameter ausprobieren, die eine Rolle bei Erzeugung magnetischer Monopole spielen. „Ich könnte mir vorstellen, dass zukünftige Experimente sich beispielsweise mit der Erzeugung von mehreren Monopolen in so einem Kondensat beschäftigen, und dann auch mit der Wechselwirkung zwischen diesen Monopolen“, so Pfleiderer.