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StartseiteForschung aktuellKnoten im Kristall24.02.2009

Knoten im Kristall

Neue magnetische Phänomene geben alten Vermutungen Raum

<strong>Chemie. - Mangan und Silizium sind ziemlich gewöhnliche Elemente, und die Verbindung Mangansilizium ist auch weder neu, noch teuer oder exotisch. Trotzdem sorgt ein Fachartikel darüber für Aufsehen, denn Münchener und Kölner Wissenschaftler haben in einem daraus bestehenden Kristall höchst eigenartige magnetische Phänomene finden und deuten können.</strong>

Von Mathias Schulenburg

Skyrmionen werden die Wirbel in Kristallen genannt. (TU München/Christian Pfleiderer)
Skyrmionen werden die Wirbel in Kristallen genannt. (TU München/Christian Pfleiderer)

Eigentlich, schreibt der Pressedienst der Technischen Universität München, sei die Entdeckung eines regelmäßigen Gitters magnetischer, teilchenartiger Wirbel in einem Mangansiliziumkristall – bei tiefen Temperaturen und einem mäßigen Magnetfeld – einem Missverständnis zu danken. Einer vergessenen Absprache wegen habe Sebastian Mühlbauer an der Forschungsneutronenquelle der TU mit einem Neutronenstrahl parallel zum Magnetfeld gemessen, es hatte senkrecht sein sollen. Da aber, so Mühlbauer ..

"... sah ich auf dem Bildschirm statt der erwarteten zwei Punkte einen Ring aus sechs Punkten. Ich habe sofort Christian angerufen."

Professor Christian Pfleiderer, ebenfalls im Mangansilizium-Team, habe zunächst an einen Aprilscherz geglaubt – es war immerhin der 1. April 2008 – dann aber die Aufregung Mühlbauers geteilt. Aufgeregt waren auch die theoretischen Physiker der Universität Köln um Professor Achim Rosch, die zur Klärung des Phänomens zurate gezogen wurden, denn die Münchner Entdeckung hat – von ihrer praktischen Bedeutung abgesehen – Vorstellungen neuen Glanz gegeben, die Mitte des vorigen Jahrhunderts entwickelt worden waren, sich meist auf Prozesse der Hochenergiephysik bezogen, nun auch die Festkörperphysik beflügeln und womöglich ein universelles, selbst philosophisch interessantes Konzept darstellen. Dieses Konzept bemüht den mathematischen Zweig der Topologie, der in Dinge wie Löcher und Wirbel System bringt, und gestattet die Deutung etwa der teilchenartigen magnetischen Wirbelfäden als eine Art Knoten im Magnetfeld. Mehr noch, sagt Achim Rosch, Theoretiker in Köln:

"... alle Teilchen, die wir kennen, könnten irgendwelche speziellen Sorten von Wirbeln oder Knoten in anderen Feldern sein. Und in dem Sinn ist es schon ein sehr weit tragendes Konzept. Diese Idee hat tatsächlich Heisenberg zum ersten Mal verfolgt, der hat gehofft, eine Art Weltformel zu finden und hat darauf auch viele Jahre hingearbeitet, wo er gesagt hat, es gibt ein grundlegendes Feld und alle anderen Eigenschaften, alle anderen Teilchen bekommt man dadurch, dass man sich die nicht-linearen Anregungen in diesem ursprünglichen Feld anschaut. Der genaue Weg, den Heisenberg verfolgt hat, hat sich dann als Sackgasse erwiesen, aber diese Idee wurde dann zum ersten Mal wirklich realisiert von Skyrme, der gezeigt hat, dass man mit Knoten in Pion-Feldern die Kernbestandteile erklären könnte, also Protonen und Neutronen."

Tony Skyrme war ein britischer Physiker, der die topologische Deutung von Teilchen als Knoten im Feld zur Reife gebracht hatte; ihm zu Ehren werden solche Teilchen "Skyrmionen" genannt.

Der Grund, sich mit Mangansilizium überhaupt zu beschäftigen, sei durchaus praktischer Natur gewesen, sagt Achim Rosch:

"Tatsächlich haben wir eine Frage verfolgt, die einen großen Anwendungsbezug hat, nämlich die Frage, wie kann man durch Ströme magnetische Strukturen beeinflussen. Was unter dem Stichwort "Spintronic" läuft. Und die Hoffnung ist eben, dass man Magnetismus und Elektrizität besser in Verbindung bringen kann, schnellere Speicher bauen kann, und wir haben eben gehofft, und das klappt auch, dass wir in diesem Material Mangansilizium ein besonders schönes Beispiel haben, wo wir mit Strömen magnetische Strukturen manipulieren können."

Das kuriose Magnetwirbelgitter – das im Übrigen von dem es tragenden atomaren Gitter keine Notiz nimmt, sondern frei im Mangansiliziumkristall drehbar ist – wird nicht nur in dieser Substanz zu finden sein:

"Wir haben dabei auch auf theoretischer Seite jetzt wirklich einen Mechanismus entdeckt, dass dieses Gitter stabil wird, und das hat auch die Konsequenz, dass wir nicht nur in diesen Materialien, sondern auch in ganz anderen Materialien nach dem gleichen Effekt Ausschau halten können und tatsächlich wurde auch schon gesehen, dass in Materialien, die die gleiche Voraussetzung haben, dass man die gleiche Struktur sehen kann."

Die vermeintliche Esoterik hinter alledem muss physikalische Laien nicht stören, schon Feldeffekttransistoren sind mit Worten kaum zu erklären, und doch verfügen die meisten Haushalte heute über Millionen, wenn nicht Milliarden davon, allein im Notebook. Schließlich: Ein Salatblatt ist auch nicht einfacher.

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