Auf der Suche nach dem Magnetischen Monopol Matthias Matting

Künstlerische Darstellung eines synthetischen Monopols, Foto: Heikka Valja

Während das elektrische Feld getrennte positive und negative Ladungen besitzt, treten Magnetpole immer paarweise auf - obwohl die Physik auch separate Pole zulassen würde. Forscher haben nun die Erzeugung eines Monopols simuliert

Wenn man nicht sicher ist, ob etwas existiert - wie die Physiker bei ihren magnetischen Monopolen - gibt es zwei Möglichkeiten. Erstens: Man sucht intensiv danach. So fahnden Forscher ebenso nach Anzeichen Dunkler Materie, wie sie nach Spuren von Wurmlöchern suchen. Auch einzelne Ladungsträger des magnetischen Feldes könnten theoretisch in den extremsten Weiten des Universums zu finden sein.

Falls sie nämlich, wie manche Forscher meinen, in einer sehr, sehr frühen Phase des Urknalls entstanden, wären sie mit der Expansion des Universums an dessen Grenzen geschwemmt worden (Gibt es Monopole?).

Man kann sich zweitens die Suche aber auch sparen: Der Beweis ist ja erbracht, sobald man das erste Exemplar seiner Art vorzeigen kann. Wenn es also gelingt, Monopole im Labor zu erzeugen, wären die Physiker ebenso glücklich, hätten sie doch endlich eine Erklärung dafür gefunden, warum die elektrische Ladung stückweise existiert.

In einem exotischen Material, Spin-Eis genannt, ist das schon gelungen: Da bei sehr niedrigen Temperaturen in solch einem Material die Spins ihre Lage nicht frei wählen können, ist es möglich, mit Hilfe einer thermischen Anregung einen einzigen umgeklappten Spin durch das Material zu bewegen. Dabei handelt es sich allerdings nur um ein Pseudoteilchen, eine Anregung.

Eine Stachelschwein-Konfiguration in einer Wolke aus Rubidium-Atomen

Im Wissenschaftsmagazin Nature haben Forscher nun ein anderes System gefunden, in dem sie die Erzeugung eines Monopols simulieren konnten. Die Physiker nutzen hier eine anderen Vorgehensweise: Ein magnetischer Monopol ist wie ein einzelnes Elektron an der Form der von ihm ausgehenden Feldlinien erkennbar.

Diese sind nicht, wie man es sonst von Magneten kennt, stets in sich geschlossen, sondern reichen vom Monopol aus in die Unendlichkeit. Gelingt es also, Magnetfeldlinien in genau dieser Weise anzuordnen, müsste ihre Quelle automatisch ein Monopol sein - die Beziehung ist eineindeutig.

Ein System, in dem das gut funktioniert, ist eine Wolke aus Rubidium-Atomen, die bis nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde. In diesem Zustand bildet sie ein Bose-Einstein-Kondensat. Einzelne Atome sind nicht mehr zu identifizieren, das komplette Kondensat wird von einer gemeinsamen Wellenfunktion beschrieben.

Die Atomwolke lässt sich nun von außen mit Hilfe eines Magnetfelds beeinflussen. Wählt man deren Parameter auf die richtige Weise, richten sich die Spins der Atome so aus, dass sie wie bei einem zusammengerollten Igel alle zentral nach außen schauen. Die Forscher nennen das in einem anschaulichen YouTube-Video eine Stachelschwein-Konfiguration.

Und was sitzt offenbar im Inneren der Wolke? Der lang gesuchte Monopol. Er wird sich zwar wegen des Quantenzustands des Kondensats nicht einem bestimmten Atom zuordnen lassen, doch die Messergebnisse sind eindeutig, alle Parameter passen perfekt zur Theorie. Trotzdem handelt es sich hier noch nicht um das Teilchen, das die Physik revolutionieren könnte.

Vielmehr ist der Versuch ein spannendes Beispiel für eine Einsatzmöglichkeit der Quantenphysik, die über läppische Quantencomputer weit hinausgeht: die Simulation anderer, weit komplexerer Systeme, die auf diese Weise besser erforschbar werden. (Matthias Matting)