Een magneet met maar één pool is eigenlijk iets heel geks. De magneten die we kennen, hebben namelijk allemaal twee polen. Toch is het wetenschappers onlangs gelukt om een magneet met slechts één pool te maken.
Schematische weergave van een normale magneet. De bovenste halve cirkel geeft de noordpool weer, de onderste de zuidpool.
Normale magneten bestaan altijd uit twee polen, ze hebben een noord- en een zuidpool. Wanneer iemand een magneet doorsnijdt, krijgt u twee magneten met elk nog steeds twee polen. Zo krijgt u nooit een magneet met een enkele pool. Dit proces kunt u in theorie eindeloos herhalen, zelfs tot het niveau van de kleinste deeltjes.
Toch zijn natuurkundigen ervan overtuigd dat er magneten kunnen bestaan met slechts één pool, een zogeheten monopool. De eerste natuurkundige die voorspelde dat magnetische polen in hun eentje voor konden komen, was Paul Dirac. In 1931 berekende hij, via de weg van de kwantummechanica, dat magnetische monopolen konden bestaan. Tot nu toe is er echter nog steeds geen natuurlijke magnetische monopool ‘in het wild’ ontdekt. Naast het feit dat het vinden van een nieuw deeltje interessant is, zou de vondst van een monopool ook de theorie van Dirac bewijzen.
Wetenschappers van de Amerikaanse Amherst University hebben afgelopen januari een monopool gemaakt. De gemaakte monopool is eigenlijk een imitatie-monopool. De magneet hebben ze zo gemaakt, dat deze alle eigenschappen van een monopool heeft en daarmee een echte monopool nabootst. Deze ontdekking geeft de wetenschappers nieuwe informatie over de eigenschappen van een monopool. Deze gemaakte monopool is dan ook een doorbraak in de zoektocht naar een echte, natuurlijke monopool, zoals beschreven door Dirac.
De gemaakte monopool is een losse noordpool. De pool is één punt die werkt als een bron voor de magnetische krachten. De richting van deze magnetische krachten geeft men weer met pijltjes (zie hiernaast). Net als bij een egel, steken de magnetische lijnen vanuit de kern alle kanten op naar buiten. Een losse noordpool geeft dus een ander beeld dan een normale magneet (zie de afbeelding hierboven). Het was niet makkelijk voor de wetenschappers om een magnetische monopool te maken in hun laboratorium. Ze hadden namelijk materie nodig die verschilde van de bekende fasetoestanden: vaste stof, vloeistof of gas toestanden. Deze materie werkt volgens wetten van de kwantummechanica, dezelfde wetten die Dirac gebruikte om zijn monopool te beschrijven. De natuurkundigen lieten de verkregen materie in contact komen met magnetische velden, waardoor er hele kleine draaikolken ontstonden. Met een ander magnetisch veld konden de wetenschappers het laagste punt van zo’n draaikolk naar het midden van de materie brengen. Deze verplaatste draaikolk vertoonde eigenschappen van een monopool. De draaikolk zag er namelijk net zo uit als een egel.
Het team van wetenschappers geeft toe dat het niet de eerste keer is dat natuurkundigen deeltjes gevonden hebben die zich gedragen als een monopool. Toch is deze ontdekking bijzonder en sluit beter aan bij de voorspelling van Dirac dan de eerder gevonden deeltjes. De wiskunde die het theoretische gedrag van de Dirac-monopool beschrijft, komt goed overeen met de gevonden egelvormige draaikolk. De overeenkomst komt doordat de draaikolk gemaakt is aan de hand van de wetten van de kwantummechanica. De voorgaande gevonden monopolen werkten volgens andere natuurwetten en sloten daardoor minder aan op de Dirac-monopool dan de nieuwste gevonden monopool.
De ontwikkeling van een magnetische monopool volgens de wetten van de kwantummechanica is een doorbraak in de zoektocht naar een natuurlijke magnetische monopool. De wetenschappers gebruiken de nieuw verkregen inzichten om een monopool te ontwikkelen die nog meer overeenstemmingen zou vertonen met een natuurlijke magnetische monopool. Via deze weg hopen de wetenschappers een echte magnetische monopool ‘in het wild’ te ontdekken.
Anne van der Linden (21) studeert Science Education and Communication aan de Universiteit Utrecht en schreef dit artikel voor het vak Public Science Communication with Multimedia. Van der Linden hoopt na haar studie natuurkundedocent te worden.