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Dienstag, 30.05.2017
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Spin macht sich selbständig

Erstmals Spin-Ladungs-Trennung bei Elektronen experimentell gelungen

Sie gelten als unzertrennlich: der Spin und die Ladung eines Elektrons. Doch jetzt haben Wissenschaftler erstmals überzeugend demonstriert, dass sich der Spin eine Elektrons auch unabhängig von seiner Ladung durch eine dünne Leitung bewegen kann.
Elektronen mit Down- und Up-Spin

Elektronen mit Down- und Up-Spin

Normalerweise gelten Spin und Ladung als grundlegende Eigenschaften eines Elektrons und damit untrennbar mit ihrem Teilchen verbunden. Die Wahrscheinlichkeit, dass eines der beiden sich plötzlich verändert und selbständig macht ist in etwa so groß wie die, dass das Fell einer Katze sich von alleine ablöst oder die Farbe eines Fahrrads spontan wechselt. Doch unter speziellen Bedingungen kann der Spin des Elektrons sich tatsächlich von der Ladung trennen und abwandern. Das berichten Physiker des Weizmann Instituts jetzt in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Science.

Vorhergesagt wurde die Möglichkeit einer Spin-Landungs-Trennung bereits in den 1960er Jahren. Die Idee basierte auf der Theorie, nach der Elektronen, deren Bewegungsmöglichkeiten auf eine Dimension beschränkt wird sich anders verhalten als diejenigen, die sich in zwei oder drei Dimensionen bewegen können. Denn sind die Elektronen Kopf an Kopf hintereinander aufgereiht, wächst der Einfluss der abstoßenden Kräfte zwischen ihnen so stark an, dass ungewöhnliche Effekte auftreten können. Doch ein Beweis dieser Effekte musste warten, bis die technologischen Möglichkeiten dazu entwickelt wurden.

Amir Yacoby, Professor für Festkörperphysik am Weizmann Institut und seine Forscherkollegen Ophir Auslaender und Hadar Steinberg setzten für ihre Experimente Quantenkabel ein - Leitungen so dünn, dass Elektronen nur in Einerreihe hindurchwandern können und so ihre Bewegungsmöglichkeiten auf nur eine Dimension beschränkt waren. „Bis zu einem bestimmten Punkt könnte man sich diese Elektronen als Autos auf einer schmalen, einspurigen Straße vorstellen“, beschreibt Yacoby. „Es gibt kein Überholen und der langsamste Wagen bestimmt die Geschwindigkeit für alle übrigen. Ein Hindernis im Weg bringt den Verkehr komplett zum Erliegen.“ Doch hier endet die Analogie, wie der Forscher erklärt. Wenn man auf einer Straße die Fahrzeugdichte erhöht, kommt es zum Stau, doch die Elektronen verhalten genau umgekehrt: Je dichter der Verkehr, desto schneller strömen sie durch die Leitung, je dünner, desto langsamer.


Und genau an diesen langsamen Elektronenströmen beobachteten die Forscher Überraschendes: Normalerweise folgen die Elektronen in diesen Strömen einem bevorzugten Muster, bei dem sich die Spinrichtung aufeinander folgender Teilchen zwischen „up“ und „down“ abwechseln. Doch in ihrem Experiment manipulierten Die Wissenschaftler diese Reihenfolge, indem sie Elektronen auf benachbarte Leitungen überspringen ließen.

An der Stelle, an der beispielsweise ein Down-Spin-Elektronen aus der Reihe verschwand, rückte nun das nächste, ein Up-Spin-Elektron, nach, doch dadurch lagen zwei gleichgerichtete Spins direkt nebeneinander. Dieser nicht ideale Zustand löste prompt eine Reaktion aus: Eines der beiden Elektronen wechselte spontan seinen Spinrichtung.

Damit allerdings „eckte“ es bei seinem Nachbarn auf der anderen Seite an, da nun hier die gleichgerichteten Spins aufeinander trafen. Dieser reagierte wiederum mit einem Spinwechsel und so pflanzte sich die Kette der Wechsel über die gesamte Leitung fort. Als Ergebnis hatte sich damit ein Spin über die Leitung bewegt ohne dass sich die Ladungen der beteiligten Elektronen geändert hatten – die Wissenschaftler hatten die Spin-Ladungs-Trennung im Experiment belegt.
(American Committee for the Weizmann Institute of Science, 14.07.2005 - NPO)
 
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