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20.03.2020

Nordpol ohne Südpol: Magnetische Monopole nachgewiesen

Magnetische Monopole Magnetische Monopole Dr. Vladimir Hutanu (l.), der die magnetischen Monopole untersucht hat, und Doktorand Henrik Thoma am Instrument POLI. © Wenzel Schürmann / TU München

Dr. Vladimir Hutanu (l.), der die magnetischen Monopole untersucht hat, und Doktorand Henrik Thoma am Instrument POLI. © Wenzel Schürmann / TU München

Zerbricht man einen Stabmagneten, so haben beide Teile wieder einen Nord- und einen Südpol. Einzeln bewegliche magnetische Pole waren bislang nur aus einer einzigen Klasse von magnetischen Kristallen bekannt. Ein internationales Forscherteam hat nun magnetische Monopole mit Neutronen erstmalig in einem Material nachgewiesen, das Strom leitet.

In Kristallen herrscht strenge Ordnung: Jedes Atom besetzt einen festen Platz. Eis, also gefrorenes Wasser, bildet eine Ausnahme. Hier können die Wasserstoffatome unterschiedliche Orientierungen einnehmen. Einzige Bedingung: Sie müssen die so genannte Eisregel erfüllen. Nach ihr muss jedes Sauerstoff-Atom genau zwei starke und zwei schwache Bindungen zu den benachbarten Wasserstoffatomen haben.

Kagome Korb Kagome Korb Ein japanischer Korb, der im Kagome-Muster geflochten ist. © wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Trihexagonal_tiling)

Ein japanischer Korb, der im Kagome-Muster geflochten ist. © wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Trihexagonal_tiling)

Atomanordnung wie in geflochtenen Körben

„Solche Einschränkungen können neues Verhalten hervorrufen“, erklärt Prof. Dr. Philipp Gegenwart von der Universität Augsburg. Ein Beispiel hierfür ist das bislang nur in der Theorie bekannte „Kagome-Spin-Eis“.

„Kagome“ heißt auf Japanisch Korbgitter. Geflochtene Körbe mit einem Kagome-Muster weisen Dreiecke auf, die jeweils an den Ecken miteinander verbunden sind. Atome können ebenfalls in dieser Struktur kristallisieren. Interessant wird es, wenn sie ein magnetisches Moment tragen, einen so genannten Spin. Denn aufgrund der Dreiecks-Anordnung ist es unmöglich, die Spins benachbarter Atome wie üblich gegenläufig zueinander auszurichten. Ähnlich wie es bei den Wassermolekülen im Eis der Fall ist, sind die Möglichkeiten der Spin-Anordnungen also beschränkt – daher auch der Name Kagome-Spin-Eis.

Kagome-Spin-Eis sich verhält so, als ob in ihm magnetische Monopole vorliegen würden und keine Spin-Dreiecke. Einzelne magnetische Pole gibt es eigentlich nicht, denn selbst Elementarteilchen tragen immer ein Paar aus Nord- und Südpol.

8-Tesla Magnet POLI 8-Tesla Magnet POLI Techniker Wolfgang Luberstetter nimmt den 8-Tesla-Magneten in Betrieb, mit dem das Experiment durchgeführt wurde. © Vladimir Hutanu / RWTH Aachen

Techniker Wolfgang Luberstetter nimmt den 8-Tesla-Magneten in Betrieb, mit dem das Experiment durchgeführt wurde. © Vladimir Hutanu / RWTH Aachen

Erstmaliger Nachweis von Kagome-Spin-Eis

Vor mehr als zehn Jahren wurden Monopol-Quasiteilchen erstmals in Spin-Eis-Materialien nachgewiesen. Diese Materialien sind elektrisch isolierend. Ein internationales Forschungsteam hat nun das Kagome-Spin-Eis erstmalig nachgewiesen. Sie untersuchten die metallische Verbindung HoAgGe, die Spins auf einem Kagome-artigen Gitter enthält.

Neutronenmessungen mit Hochfeld-Magnet

Die Forscher setzten die Substanz bei verschiedenen Temperaturen einem Magnetfeld aus. Ihre Experimente führten sie teils auch am MLZ-Neutronendiffraktometer POLI durch. Ein am POLI erst kürzlich in Betrieb genommener supraleitender Hochfeld-Magnet ermöglichte es, die Ausrichtung der magnetischen Momente im Kristallgitter zu bestimmen, die so genannte magnetische Struktur. „Dies geht nur mittels Neutronenbeugung“, erläutert der instrumentverantwortliche Wissenschaftler Dr. Vladimir Hutanu.

Kagome Spin-Eis Kagome Spin-Eis In HoAgGe besetzten Holmium-Spins die Ecken von Dreiecken, die zu einem Kagome-Muster geordnet sind. Die Ausrichtung benachbarter Spins (links, rote Pfeile) muss dabei der Eisregel gehorchen: Entweder ragen zwei Spins in ein Dreieck hinein und eins hinaus oder umgekehrt. Als Resultat verhalten sich die einzelnen Dreiecke, als wären sie magnetische Monopole (rechts). © Universität Augsburg

In HoAgGe besetzten Holmium-Spins die Ecken von Dreiecken, die zu einem Kagome-Muster geordnet sind. Die Ausrichtung benachbarter Spins (links, rote Pfeile) muss dabei der Eisregel gehorchen: Entweder ragen zwei Spins in ein Dreieck hinein und eins hinaus oder umgekehrt. Als Resultat verhalten sich die einzelnen Dreiecke, als wären sie magnetische Monopole (rechts). © Universität Augsburg

Material leitet Strom

Abhängig von seiner Stärke erzeugten sie eine Reihe unterschiedlicher Spin-Anordnungen, die alle der Eisregel gehorchten. Bei theoretischen Simulationen deckten die Forscher auch die Unterschiede zur Kagome-Spin-Eis-Theorie auf. Im Gegensatz zu bisherigen Spin-Eis-Materialien leitet HoAgGe zudem elektrischen Strom. In Zukunft wollen die Wissenschaftler daher genauer untersuchen, wie die Leitungselektronen mit den magnetischen Monopolen wechselwirken. „Dies könnte neuartige magnetoelektrische Effekte bewirken, vielleicht sogar mit Anwendungspotential“, spekuliert Philipp Gegenwart.

Textvorlage: Universität Augsburg / Forschungszentrum Jülich

Originalpublikation:
Kan Zhao, Hao Deng, Hua Chen, Kate A. Ross, Vaclav Petříček, Gerrit Guenther, Margarita Russina, Vladimir Hutanu und Philipp Gegenwart:
Realization of the kagome spin ice state in a frustrated intermetallic compound.
Science 3 Mar 2020: Vol. 367, Issue 6483, pp. 1218-1223,
DOI: 10.1126/science.aaw1666

Weitere Informationen:
Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Transregionalen Sonderforschungsbereichs TRR80 („Von Elektronischen Korrelationen zur Funktionalität“, Sprecher: Prof. Dr. Gegenwart) und des Schwerpunktprogramms SPP 1666 gefördert.

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