Innsbruck – Heimische Quantenphysiker haben einen Weg gefunden, wie ein Nanomagnet in einem magnetischen Feld stabil in der Luft gehalten werden könnte, ohne sich zu drehen. Ihre Überlegungen veröffentlichten sie im Fachblatt "Physical Review Letters".
Hintergrund
Die Frage, ob sich mit statischen Magneten eine stabil schwebende Konstruktion aufbauen lässt, hat der britische Mathematiker und Physiker Samuel Earnshaw bereits im 19. Jahrhundert mit einem "Nein" beantwortet. Positioniert man einen Magneten über einem anderen, dann ist dieser schwebende Aufbau einfach zu störungsanfällig, um längere Zeit Bestand zu haben.
Das kann allerdings mit einem Magnetkreisel umgangen werden. Dieses beliebte physikalische Anschauungsobjekt richtet sich bei einer Störung mittels Kreiselbewegung nämlich ständig neu aus. Die resultierende Drehbewegung hält das "Spielzeug" stabil im Schwebezustand, hieß es am Freitag in einer Aussendung der Universität Innsbruck.
Alles anders in der Quantenwelt
Ein Forschungsteam um Oriol Romero-Isart vom Institut für Theoretische Physik der Uni und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) hat in Kooperation mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München nun erstmals gezeigt, dass Nanomagneten auch in Ruhe über einem statischen Magnetfeld schweben können. "Verantwortlich dafür sind Quanteneigenschaften, die in der makroskopischen Welt nicht wahrnehmbar sind, bei Nanoobjekten aber stark hervortreten", sagte Romero-Isart.
Das liegt an der quantenphysikalischen Verbindung des äußeren magnetischen Feldes mit dem Spin der Elektronen in dem winzigen Kreisel. Die Elektronen drehen sich nämlich quasi um ihre eigene Achse und erzeugen dabei selbst ein magnetisches Moment, das sich unterschiedlich ausrichten kann. Bei Änderung der Magnetisierung der Umgebung tritt aufgrund der Kopplung mit dem Elektronenspin ein mechanisches Drehmoment auf – die Forscher sprechen vom "gyromagnetischen Effekt". "Dadurch wird der magnetische Schwebezustand des Nanomagneten stabilisiert", erklärte der Erstautor der Studien, Cosimo Rusconi.
Von der Theorie zum Experiment
Dass das funktionieren würde, haben die Theoretiker mit Stabilitätsanalysen abhängig vom Radius des Nanoobjekts und der Stärke des externen Magnetfelds gezeigt. Die Forscher geben sich angesichts dessen auch optimistisch, dass sich dieser Aufbau bald in einem Experiment realisieren lässt. Mit den derart schwebenden Nanomagneten würden sich jedenfalls neue Experimentierfelder auftun. So könnten sich damit etwa exotische Quantenphänomene beobachten lassen. Denkbar sei auch ein Einsatz der Mikromagneten als hochsensible Sensoren, so die Wissenschafter. (APA, 2. 11. 2017)