Das sieht man im Bild, jeweils oben das Spin-Bild und unten die Hanteldarstellung. Dann ist es einfach den Grundzustand (links) zu finden, denn der ist bemüht, zwei Pole jeder Art in einem Zentrum zu haben und so neutral zu sein. Das ist natürlich nur bei sehr niedrigen Temperaturen möglich, wo es wenig Anregung gibt.
Der spannende Moment kommt, wenn es eine Anregung gibt, die kommt hier zum Preis von 2 Kelvin und dreht einen Spin um. Dann sieht man – rechts unten – im Hantelbild, was passiert: Man hat quasi zwei Monopole erschaffen (die farbigen Kugeln um den Tetraeder).
Und jetzt kommt die Tatsache, dass der Energieaufwand um diese zu trennen mit zunehmendem Abstand gegen einen endlichen Wert konvergiert – daher sagt man diese (magnetischen!) Monopole sind frei. Eine Trennung kann man sich einfach vorstellen als Kette von solchen Spin-Flips. Diese Kette ist das Analog zu Diracs Faden: Dieser sollte eine unendlich dünne Verbindung zwischen den Monopolen sein, der magnetischen Fluss transportiert aber nicht beobachtbar ist. In Realität ist der Faden schon beobachtbar, durch die Trennung der Monopole über die Coulomb-Kraft über eine Kette von geflippten Spins.
Ich sollte noch einmal extra erwähnen, dass es vollkommen normal ist, die Anregung eines Grundzustandes wie ein Teilchen zu betrachten – ob es wie hier die Monopole sind, Phononen im Festkörper oder sogar Photonen in der Quantenelektrodynamik.
Beobachtung
Und jetzt ist das auch wirklich beobachtet worden. Das Mittel zur Beobachtung einer solchen Dipol-Kette ist das Neutron, denn es trägt keine elektrische Ladung aber ein magnetisches Moment. Also wurden Streuexperimente mit Neutronen durchgeführt an diesen Pyrochlor-Gittern des Dy2Ti2O7, bei sehr tiefen Temperaturen und mit einem äußeren Magnetfeld, dass für etwas Ordnung in den Spin-Ketten gesorgt hat.
Im Ergebnis des Streuexperimentes konnten tatsächlich die Spin-Röhren sichtbar gemacht werden, die Quasipartikeln verbinden und magnetische Monopole darstellen. Dies sei eine Folge des bemerkenswerten, stark korrelierten und degenerierten Grundzustandes im Spin-Eis, der eine solch einfache und effektive Beschreibung seiner Anregungen möglich mache.
Und gleich nochmal!
Nicht ein, gleich zweimal wurde dieser Effekt gefunden und gleichzeitig publiziert. Auch in Grenoble hat man, im Ho2Ti2O7-Gitter, diesen Effekt gefunden und die Coulomb-Interaktion zwischen den Monopolen perfekt gemessen. Es ist oft so, und schon bemerkenswert, wie Forschergruppen unabhängig (bzw. wohl schwach korreliert) gleichzeitig zum gleichen Ergebnis kommen. In diesem Fall muss man aber sagen, dass die Presse besser für das Berlin et al.-Paper ist, und daher hauptsächlich darüber berichtet wird. Also merke: Wer bei gleichzeitiger Veröffentlichung die schöneren Bilder extra auf seiner Homepage bereitstellt, gewinnt.
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