Geleerden maken een magneet met slechts één pool

Gewone magneten zijn altijd dipolen, ze hebben een zuid- en een noordpool, en als men een staafmagneet in tweeën snijdt, krijgt men nooit een magneet met een zuidpool en één met een noordpool, maar in de plaats daarvan twee kleinere magneten met elk een zuid- en een noordpool.

Dat gaat eindeloos door, men krijgt steeds kleinere magneten met elk twee polen, tot op het niveau van individuele atomen: een elektron met spin heeft een zuid- en een noordpool. De magnetische veldlijnen lopen bij een gewone magneet dan ook in halve cirkels van de noord- naar de zuidpool.

Tot nu toe is er nog nooit een monopole magneet gevonden, hoewel geleerden er al verwoed naar gezocht hebben sinds hun bestaan in 1931 voor het eerst theoretisch voorgesteld werd door de Britse natuurkundige Paul Dirac (foto in tekst). Voor andere natuurkundige krachten bestaan er wel monopolen: elektrische monopolen komen zowat overal voor zelfs. Protonen en elektronen bijvoorbeeld, de bouwstenen van materie, wekken elektrische velden op waarvan zij het centrum zijn, zonder dat er een tegengestelde pool is.

Nu zijn onderzoekers van het Amherst College in Massachusetts en de Aalto universiteit in Finland er echter in geslaagd een monopole magneet te maken in hun laboratorium. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het vakblad Nature. De monopool werkt als een bron die uit een enkel punt bestaat voor een magnetisch veld, en de magnetische veldlijnen strekken zich vanuit dat punt in alle richtingen loodrecht uit, zonder de halve cirkels die bij een gewone magneet te zien zijn.

Om de monopool te creëren, gebruikten de onderzoekers heel wat high-techtechnieken in hun laboratorium. De eerste stap was het vervaardigen van een Bose-Einsteincondensaat van rubidium-atomen, een kleine wolk van atomen die afgekoeld zijn tot enkele miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt, 0 graden Kelvin of –273,15 graden Celsius. Om een dergelijke lage temperatuur te bereiken, schiet men atomen met lasers in een koud gas en manipuleert men de atomen met magnetische velden om ze nog meer te doen vertragen. Bij deze temperatuur staan de atomen zo goed als stil en treden er vreemde quantum-verschijnselen op. De atomen gedragen zich erg vreemd en vormen een nieuwe soort materie die verschilt van de gewone aggregatietoestanden - vaste stof, vloeistof, gas - die we kennen.

Vervolgens onderwierpen de onderzoekers de vreemde materie aan zorgvuldig afgestelde magnetische velden, waardoor er kleine, tornado-achtige vortexen (draaikolken) ontstonden. Opnieuw met een magnetisch veld bracht men dan een punt aan de basis van een dergelijke vortex naar het midden van het Bose-Einsteincondensaat en dat begon dan een zich naar buiten uitstrekkend monopool-achtig magnetisch veld uit te stralen. De onderzoekers noemen dat de “egel-configuratie”, omdat de stekels van een egel ook vanuit het centrum naar alle kanten naar buiten steken. Volgens de onderzoekers komt de wiskunde die het theoretische gedrag van een magnetische Dirac-monopool beschrijft, mooi overeen met hoe het condensaat er uitziet in de egel-configuratie.

Het vervaardigen van een dergelijke monopool in een laboratorium kan vergaande gevolgen hebben voor een aantal natuurkundige theorieën. Toen Paul Dirac, een van de grondleggers van de kwantumfysica, in 1931 voor het eerst de hypothese van het bestaan van monopole magneten opwierp, toonde hij aan dat als er zelfs slechts één monopool bestaat, dat dan alle elektrische ladingen gekwantiseerd zijn. Dat wil zeggen dat elke elektrische lading een veelvoud is van een fundamentele basiseenheid, namelijk de lading van een elektron. Er kan dus niets bestaan met als lading de helft van de lading van een elektron. Intussen is aangetoond dat elektrische ladingen inderdaad gekwantiseerd zijn, maar een natuurlijke monopool is nog niet gevonden.

Verschillende theorieën over de Big bang – de oerknal waarmee het universum ontstaan is – stellen dat in de extreem hoge temperaturen van het zeer jonge universum er exotische magnetische monopolen gevormd moeten zijn. Een aantal daarvan zouden vandaag nog steeds moeten bestaan, ook al zouden ze waarschijnlijk erg zeldzaam zijn. Geleerden hebben al gezocht naar dergelijke natuurlijke monopolen, onder meer in het ijs van de Zuidpool en in brokstukken van de maan, maar tot nu tevergeefs.

Het team van het Amherst College en de Aalto universiteit geeft toe dat ook andere teams eerder al op monopolen gelijkende systemen hebben gemaakt, maar ze wijzen er op dat hun experiment het eerste is in een kwantumsysteem dat verder getest en onderzocht kan worden. "Een natuurlijke magnetische monopool ontdekken, zou een revolutionaire gebeurtenis zijn die te vergelijken is met de ontdekking van het elektron", zei het team. "Ons werk levert onontkoombaar en lang verwacht experimenteel bewijs voor het bestaan van Dirac-monopolen. Het biedt een nooit gezien gelegenheid om deze kwantum-entiteiten te observeren en te manipuleren in een gecontroleerde omgeving."