Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn Spin und Ladung getrennte Wege gehen

08.08.2002


Forschungsergebnisse Stuttgarter und Kölner Physiker zeigen neue Wege in die Nanowelt



Eigentlich dürften Flugzeuge in der Luft nicht zusammenstoßen, da sie ja einfach nach oben oder unten, nach links oder rechts ausweichen können. Immer noch relativ leicht können sie sich aneinander vorbei bewegen, wenn sie auf dem Flugplatz rollen. Auf der Startbahn aber kann nur eines nach dem anderen abheben. Der Unterschied liegt in der Dimension, in der die Bewegung stattfindet: ist man auf eine Richtung beschränkt, so kann man nicht aneinander vorbei. Wir machen diese Erfahrung jeden Tag, wenn wir im Straßenverkehr ständig aufpassen müssen, nicht mit dem Vorder- oder Hintermann zusammenzustoßen.



Auf der Suche nach dem atomaren Draht

Elektronen, die kleinen Teile des Atoms, welche für den Stromtransport verantwortlich sind, machen die gleiche Erfahrung, wenn sie sich in einem Metall bewegen. In einem großen Klotz spüren sie sich kaum, doch wenn es enger wird, nimmt die Wechselwirkung zwischen den Elektronen zu; sie stoßen einander ab. Besonders wichtig ist die elektronische Wechselwirkung im eindimensionalen Bereich, in diesem Fall in elektrischen Leiterbahnen, die nicht sehr viel breiter sind als die Elektronen selbst. Solche atomaren Drähte existieren in Kristallen, bei denen die Moleküle sich so in Stapeln anordnen, dass die Elektronen sich nur entlang der Stapelrichtung fast ungehindert bewegen können, während dies senkrecht dazu nicht geht. Eine Art atomarer Draht also, der vielleicht einmal die Basis für eine molekulare Elektronik sein könnte, bei welcher die Stukturen der Computerchips tausendmal kleiner sind als heute. Solche eindimensionalen Leiter aus organischen Molekülen werden am Physikalischen Institut der Universität Stuttgart seit vielen Jahren hergestellt und untersucht.

In diesen eindimensionalen Metallen spielt die Wechselwirkung zwischen den Elektronen eine große Rolle. Dies eröffnet die Möglichkeit zu ganz neuen Phänomenen, die wir aus unserer dreidimensionalen Welt nicht kennen. Theoretische Modelle sprechen davon, dass sich Elektronen in drei Dimensionen wie eine sogenannten Fermi-Flüssigkeit verhalten, in einer Dimension aber wie eine Luttinger-Flüssigkeit1). Seit Jahrzehnten gibt es hierüber ganz konkrete Vorhersagen, die jedoch lange auf ihre Bestätigung durch Experimente warten mussten, da die Realisierung dieser Stukturen und die Durchführung eindeutiger Versuche sehr schwierig ist. Die seltsamste und markanteste Eigenschaft der Luttinger-Flüssigkeit ist, dass sich die elektrische Ladung und der Spin der Elektronen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Der Spin kann veranschaulicht werden als die Drehung der Elektronen um sich selbst (’Drall’); er ist für die magnetischen Eigenschaften verantwortlich. Ladung und Spin des Elektrons treten im allgemeinen zusammen auf.

Trennung von Spin und Ladung erstmals gelungen

Physikern der Universitäten Köln und Stuttgart ist nun erstmals der Nachweis der Trennung von Spin und Ladung in eindimensionalen Kristallen gelungen. Sie berichten darüber im aktuellen Heft der angesehenen britischen Wissenschaftszeitschrift NATURE (Ausgabe vom 8. August 2002). Die Bewegung der elektrischen Ladung kann man durch die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands untersuchen; auch die optischen Eigenschaften, wie die Reflexion von Licht an der Kristalloberfläche, geben hierüber Aufschluss. Diese dynamischen Eigenschaften niedrigdimensionaler Metalle werden am Institut von Prof. Martin Dressel an der Universität Stuttgart intensiv untersucht: anomale Eigenschaften der Reflexion gaben die ersten Hinweise auf eine Luttinger-Flüssigkeit. Michael Dumm, der heute als Wissenschaftler am 1. Physikalischen Institut arbeitet, zeigte in seiner Doktorarbeit, dass die magnetischen Eigenschaften dieser Molekülketten sehr ähnlich sind, auch wenn ihre elektrischen Eigenschaften sich stark unterscheiden. In der Gruppe um Prof. Axel Freimuth an der Universität Köln gelang es nun, die Wärmeleitfähigkeit von diesen Systemen zu untersuchen: auch sie verhält sich im wesentlichen gleich, egal ob die Kristalle gute oder schlechte elektrische Leiter sind. Grund dafür ist der Wärmetransport durch ma-gnetische Anregungen. Die Schlussfolgerung ist nun, dass sich der Spin unabhängig von der Ladung der Elektronen bewegt. Diese Trennung von Spin und Ladung ist ein eindeutiger Nachweis, dass es sich hier um eine Luttinger-Flüssigkeit handelt.

Informationsübertragung künftig durch Elektronspin?

Wichtig ist dies für zukünftige elektrische Drähte, die nicht viel dicker sind als die Ausdehnung eines Elektrons. Man kann sich jedoch auch vorstellen, Information nicht nur durch den elektrischen Strom zu übertragen, wie es heute weitgehend geschieht, sondern durch den Spin der Elektronen. Ähnlich wie bei der Verwendung von Lichtquanten ergeben sich völlig neue Möglichkeiten; wichtig sind dabei die Gesetze der Quantenmechanik, deren Ausnutzung für die Entwicklung neuer Konzepte von Computern in jüngerer Zeit intensiv untersucht werden.

1) Das Modell der Fermi-Flüssigkeit wurde von dem russischen Physiker L. Landau entwickelt und besagt, dass die Wechselwirkung der Teilchen untereinander im wesentlichen nur zu einem Verhalten führt, als wären die Teilchen schwerer. Wir kennen dieses Phänomen aus dem Alltag, wenn wir durch eine Menschenmenge laufen wollen, wir kommen nicht schnell voran, so als ob wir ein Vielfaches dicker wären. Bei der Luttinger-Flüssigkeit gibt es diese Bewegungen einzelner Teilchen gerade nicht, sondern kollektive Anregungen, ähnlich der ’Welle’ in einem Fußballstadion.

Kontakt:
Prof. Dr. Martin Dressel, 1. Physikalisches Institut der Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 57
D-70550 Stuttgart, Tel. 0711/685-4946, Fax 0711/685-4886
e-mail: dressel@pi1.physik.uni-stuttgart.de

Ursula Zitzler | idw
Weitere Informationen:
http://www.pi1.physik.uni-stuttgart.de

Weitere Berichte zu: Ladung Luttinger-Flüssigkeit Spin Wechselwirkung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft
24.05.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten