Augsburg/FL/MH –   Bricht man einen Stabmagneten in zwei Teile, so hat jeder der beiden wieder einen Nord- und einen Südpol. Einzeln bewegliche magnetische Monopole waren bislang nur aus einer einzigen Klasse von magnetischen Kristallen bekannt. Ein internationales Forscherteam unter Leitung der Universität Augsburg hat nun Monopole in einem „Kagome-Spin-Eis“-Material nachgewiesen, das zudem elektrisch leitfähig ist. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Science erschienen.

In Kristallen herrscht normalerweise 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. Die Eisregel schränkt die Freiheitsgrade für die Anordnung der Wasserstoffatome teilweise, aber nicht vollständig ein.

„Solche 'constraints', denen sich ein System unterwerfen muss, können neues Verhalten hervorrufen“, erklärt Prof. Dr. Philipp Gegenwart vom Institut für Physik der Universität Augsburg. Ein Beispiel hierfür bildet das bislang nur als theoretisches Konzept 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. Stattdessen gibt es zwei zulässige Spin-Konfigurationen: Bei der ersten zeigen die Spins von zwei der drei Atome genau zum Dreiecks-Zentrum, die des dritten dagegen aus dem Zentrum heraus. Bei der zweiten ist es genau umgekehrt: Ein Spin zeigt zum Zentrum, die beiden anderen aus ihm heraus. 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.“

Beide Konfigurationen haben zur Folge, dass Kagome-Spin-Eis sich so verhält, 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. „Mit ‚so als ob‘ ist daher gemeint, dass dieses Bild der Monopole nur eine Analogie darstellt“, betont Philipp Gegenwart. „Sie sind keine echten Elementarteilchen, sondern so genannte Quasiteilchen.“ Die Annahme bestimmter Quasiteilchen dient allgemein der vereinfachten Beschreibung neuer Phänomene in Kristallen. Im konkreten Fall geht es um die Beschreibung exotischer magnetischen Eigenschaften mittels hypothetischer „magnetischer Ladungen“.

Vor mehr als 10 Jahren wurden Monopol-Quasiteilchen erstmals in Spin-Eis-Materialien nachgewiesen, die aus speziellen tetraedrischen Kristall-Einheiten bestanden. Diese Materialien sind elektrisch isolierend. Einer internationalen Forschungskooperation, initiiert durch Dr. Kan Zhao von der Universität Augsburg, gelang nun der erstmalige Nachweis von Kagome-Spin-Eis. In der bei Science erschienenen Arbeit untersuchten sie die metallische Verbindung HoAgGe. Sie enthält Spins auf einem Kagome-artigen Gitter.

Die Forscher setzten die Substanz bei verschiedenen Temperaturen einem Magnetfeld aus. Abhängig von seiner Stärke konnten sie eine Reihe unterschiedlicher Spin-Anordnungen erzeugen, die alle der Eisregel gehorchten. Die experimentellen Untersuchungen wurden durch theoretische Simulationen flankiert. So konnten die Forscher nicht nur die auftretenden magnetischen Wechselwirkungen genau bestimmen, sondern auch Diskrepanzen zur Kagome-Spin-Eis-Theorie aufdecken. 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.

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.

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. Science, DOI: 10.1126/science.aaw1666
https://science.sciencemag.org/content/367/6483/1218