Magnete: Forscher bestätigen 160 Jahre alte Maxwell-Vorhersage

Forschenden ist es erstmals gelungen, eine mehr als 150 Jahre alte Vorhersage des Physikers James Clerk Maxwell experimentell zu bestätigen: Unter bestimmten Bedingungen können sich ferromagnetische Materialien wie Kreisel verhalten.

Es muss klein sein

Dies soll selbst dann gelten, wenn sie selbst nicht rotieren. Das Team vom italienischen Institut für Photonik und Nanotechnologie (IFN-CNR) sowie der Bruno-Kessler-Stiftung beobachtete diesen Effekt nun tatsächlich in einer schwebenden, nicht rotierenden Magnetkugel. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Im Zentrum des Experiments stand eine winzige Kugel aus einer Neodymlegierung, einem gängigen Material für Permanentmagnete. Mit einem Durchmesser von nur 40 Mikrometern wurde sie in einer supraleitenden Falle zum Schweben gebracht. Möglich macht dies der sogenannte Meißner-Effekt, bei dem ein Supraleiter ein Magnetfeld verdrängt und so den Magneten stabil in der Luft hält.


Die Forschenden stellten fest, dass die Kugel nicht nur wie ein Pendel in zwei Richtungen schwingen kann, sondern dabei eine zusätzliche, unerwartete Bewegung zeigt: Schwingt sie in eine Richtung, weicht sie gleichzeitig leicht in eine senkrechte Richtung aus. Es entsteht eine elliptische Bahn. Dieses Verhalten ist eigentlich typisch für Kreisel. Ursache dafür ist eine "versteckte" Drehbewegung im Inneren des Materials, die durch die Ausrichtung der Elektronenspins entsteht.

Bessere Messtechnik

Dieses Phänomen hatte Maxwell bereits im 19. Jahrhundert theoretisch beschrieben. Es konnte jedoch bislang nie experimentell nachgewiesen werden. Frühere Versuche scheiterten unter anderem daran, dass die verwendeten Magnete zu groß waren. Erst durch die Miniaturisierung gelang nun der Durchbruch: Je kleiner der Magnet, desto stärker tritt der Effekt hervor.

Neben der Bestätigung eines historischen physikalischen Konzepts eröffnet die Entdeckung neue Perspektiven für die Technologie. Insbesondere könnten extrem empfindliche Magnetfeldsensoren entwickelt werden, die nach einem ähnlichen Prinzip wie atomare Magnetometer arbeiten, jedoch deutlich präziser sind. Auch Anwendungen in der Quantenforschung erscheinen möglich, etwa bei Tests fundamentaler physikalischer Theorien oder in der Entwicklung stabiler, schwebender Nanosysteme.

Die Forschenden planen bereits den nächsten Schritt: eine weitere Verkleinerung des Aufbaus bis hin zu einer Integration auf einem Chip. Dadurch könnten noch kleinere Magnete untersucht werden, bei denen die gyroskopischen Effekte dominieren.


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