Magnetische Monopole sind Elementarteilchen mit isolierten magnetischen Ladungen in drei Dimensionen. Mit anderen Worten, sie verhalten sich wie isolierte Nord- oder Südpole eines Magneten. Magnetische Monopole haben seit dem ersten Vorschlag des Physikers Paul Dirac im Jahr 1931 anhaltendes Forschungsinteresse geweckt. Echte magnetische Monopole wurden jedoch bisher nicht beobachtet und ihre Existenz bleibt eine offene Frage. Andererseits haben Wissenschaftler Quasiteilchen entdeckt, die sich mathematisch wie magnetische Monopole in kondensierten Materiesystemen verhalten, was zu interessanten Phänomenen führt.
Kürzlich entdeckten Forscher, dass ein Material namens Mangangermanid (MnGe) eine einzigartige periodische Struktur besitzt, die aus speziellen magnetischen Konfigurationen – sogenannten Igeln und Anti-Igeln – besteht und als magnetisches Igelgitter bezeichnet wird.
In diesen speziellen Konfigurationen zeigen die magnetischen Momente radial nach außen (Igel) oder nach innen (Anti-Igel) und ähneln den Stacheln eines Igels. Diese Igel und Anti-Igel wirken wie magnetische Monopole und Antimonopole und dienen als Quellen oder Senken entstehender Magnetfelder.
MnGe weist ein sogenanntes Triple-Q-Igelgitter auf. Neuere Experimente haben jedoch gezeigt, dass die Substitution von Ge durch Si (MnSi1-xGex) die Anordnung in ein Quadruple-Q-Igelgitter (4Q-HL) umwandelt.
Diese neue Anordnung, die auch im Perowskit-Ferrit SrFeO3 zu finden ist, bietet einen vielversprechenden Ansatz für die Untersuchung und Kontrolle der Eigenschaften von Igelgittern. Darüber hinaus können diese magnetischen Monopole auch elektrische Felder induzieren, indem sie sich gemäß den Maxwellschen Gesetzen des Elektromagnetismus bewegen. Um die daraus resultierenden neuen physikalischen Phänomene zu verstehen, ist es wichtig, die inhärenten Anregungen von Igelgittern zu untersuchen.
In einer aktuellen Studie untersuchten Professor Masahito Mochizuki und der Doktorand Rintaro Eto, beide von der Fakultät für Angewandte Physik der Waseda-Universität, theoretisch die kollektiven Anregungsmodi von 4Q-HLs in MnSi1-xGex und SrFeO3. Ihre Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung am 31. Mai 2024.
„Unsere Forschung hat zum ersten Mal die unbekannte dynamische Natur emergenter magnetischer Monopole in magnetischen Materialien aufgeklärt. Dies kann zukünftige Experimente mit Hedgehog-Hosting-Materialien mit Anwendungen in elektronischen Geräten und zur Überbrückung der Teilchenphysik und der Festkörperphysik inspirieren“, sagt Mochizuki.
Mithilfe des dreidimensionalen Kondo-Gittermodells reproduzierten die Forscher die beiden unterschiedlichen 4Q-HLs, die in MnSi1-xGex und SrFeO3 gefunden wurden, und analysierten ihre dynamischen Eigenschaften. Sie entdeckten, dass die 4Q-HLs kollektive Anregungsmodi aufweisen, die mit der Schwingung von Dirac-Saiten verbunden sind.
Ein Dirac-String ist ein theoretisches Konzept in der Quantenmechanik, das einen String beschreibt, der einen magnetischen Monopol und einen magnetischen Antimonopol verbindet, in diesem Fall einen Igel und einen Anti-Igel.
Die Forscher fanden heraus, dass die Anzahl dieser Anregungsmodi von der Anzahl und Konfiguration der Dirac-Saiten abhängt. Dies bietet eine Möglichkeit, die räumliche Konfiguration von Hedgehogs und Anti-Hedgehogs und ihre einzigartige Topologie in realen Magneten wie MnSi1-xGex und SrFeO3 experimentell zu bestimmen.
Diese Entdeckung bietet auch Einblicke in die Dynamik von Igelgittern in anderen Magneten. Darüber hinaus ermöglicht uns diese Entdeckung, die Anregungsmodi ein- und auszuschalten, indem wir das Vorhandensein oder Fehlen der Dirac-Saiten mit einem externen Magnetfeld steuern.
Zur Bedeutung ihrer Ergebnisse sagte Eto: „Die in der Studie aufgedeckten kollektiven Spinanregungsmodi sind Elementaranregungen, die direkt das Vorhandensein (oder Fehlen) emergenter magnetischer Monopole widerspiegeln. Daher werden unsere Erkenntnisse eine grundlegende Richtlinie für die zukünftige Untersuchung detaillierter dynamischer Natur emergenter Monopole in magnetischen Materialien sein.“
„Darüber hinaus könnten sie zu den Bausteinen neuartiger feldschaltbarer Spintronik-Geräte werden, etwa nanogroßer Stromgeneratoren, Licht-Spannungs-Wandler und Licht-/Mikrowellenfilter auf Basis emergenter Elektromagnetik.“
Diese Entdeckungen bergen das Potenzial, neue Wege in der Grundlagenphysik zu eröffnen und zur Entwicklung neuer Technologien auf der Grundlage neu entstehender magnetischer Monopole in Magneten zu führen.
Mehr Informationen:
Rintaro Eto et al, Theorie der kollektiven Anregungen in den vierfachen Q magnetischen Hedgehog-Gittern, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.226705. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2403.01765