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13.02.2009 - PHYSIK

Wirbelfäden in Elektronensuppe


Struktur der Wirbelfäden an der Oberfläche von Mangansilizium - Grafik: TUM

(jtu) Eigentlich sollte Sebastian Mühlbauer, Doktorand bei Professor Peter Böni am TUM-Lehrstuhl für Experimentalphysik, etwas ganz anderes an einer metallischen Verbindung aus Mangan und Silizium messen. Aber Professor Christian Pfleiderer, mit dem Mühlbauer zusammenarbeitet, hatte vergessen, ihn zu bitten die Messanordnung umzubauen. So war das Magnetfeld parallel statt wie geplant senkrecht zum Neutronenstrahl für die Messungen am Instrument MIRA am FRM II aufgebaut. Und der Diplom-Physiker maß Sonderliches: "Auf einmal sah ich auf dem Bildschirm statt der erwarteten zwei Punkte einen Ring aus sechs Punkten." Und zwar bei einer Temperatur von minus 245° Celsius und einem Magnetfeld von 0,2 Tesla, was in etwa dem Feld eines starken Permanentmagneten entspricht.

"Die Wirbelfäden sind ja für sich schon ungewöhnlich", erklärt Pfleiderer. "Es ist, wie wenn das Metall eine magnetische Suppe ist, in der sich stabile Quantenknoten bilden. Noch verrückter ist aber, dass sich diese Wirbelfäden immer entlang dem Magnetfeld ausrichten. Sie verhalten sich wie Partikel, die sich in einem festen Körper frei bewegen können." Die magnetischen Momente in Mangansilizium bilden normalerweise eine Helix. Liegen aber drei derartige spiralförmige Strukturen sternförmig übereinander, entstehen daraus schließlich die Wirbel.

Die magnetischen Wirbelfäden sind vor allem aber aus ganz anderen Gründen interessant. Schon in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts hatte der Münchner Nobelpreisträger Werner Heisenberg vorgeschlagen, nach einer Theorie der Bausteine des Universums zu suchen, die diese Bausteine wie Knoten in einem Medium beschreibt. Diese Idee wurde vom britischen Physiker Tony Skyrme in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts aufgegriffen - die von ihm vorgeschlagenen Teilchen werden deshalb Skyrmionen genannt. Rein mathematisch betrachtet sind die magnetischen Wirbel, die Pfleiderer und Kollegen entdeckt haben, genau solche Skyrmionen.

Am wichtigsten an den magnetischen Wirbelfäden dürfte jedoch sein, dass die Entdeckung von Pfleiderer und Mühlbauer viele neue Anwendungen verspricht. So vermutet Pfleiderer, dass Mangansilizium nicht das einzige magnetische Material ist, das diese Wirbelfäden ausbildet. Bereits vor 20 Jahren hatte Professor Alex Bogdanov, damals in Donetsk in der Ukraine, jetzt am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden, vorhergesagt, dass die magnetischen Knoten, die Mühlbauer und Pfleiderer nun entdeckt haben, in vielen Substanzen vorkommen müssten. "Ein weiteres Material haben wir seit unserer ersten Entdeckung in Mangansilizium bereits gefunden", verrät Pfleiderer. Wenn man lernt, die Entstehung der Knoten zu steuern, kann man völlig neue Verfahren entwickeln, um mit Hilfe von Magnetismus Informationen zu verarbeiten und zu speichern.

Mehr im Internet:
TU München, Institut für Experimentelle Physik
Silicium - Wikipedia

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