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 Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

nachricht Sternenstaub reist häufiger in Meteoriten mit als gedacht
15.08.2017 | Max-Planck-Institut für Chemie

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: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten den „anderen Hochtemperatur-Supraleiter“

Eine von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) geleitete Studie zeigt, dass Supraleitung und Ladungsdichtewellen in Verbindungen der wenig untersuchten Familie der Bismutate koexistieren können.

Diese Beobachtung eröffnet neue Perspektiven für ein vertieftes Verständnis des Phänomens der Hochtemperatur-Supraleitung, ein Thema, welches die Forschung der...

Im Focus: Tests der Quantenmechanik mit massiven Teilchen

Quantenmechanische Teilchen können sich wie Wellen verhalten und mehrere Wege gleichzeitig nehmen, um an ihr Ziel zu gelangen. Dieses Prinzip basiert auf Borns Regel, einem Grundpfeiler der Quantenmechanik; eine mögliche Abweichung hätte weitreichende Folgen und könnte ein Indikator für neue Phänomene in der Physik sein. WissenschafterInnen der Universität Wien und Tel Aviv haben nun diese Regel explizit mit Materiewellen überprüft, indem sie massive Teilchen an einer Kombination aus Einzel-, Doppel- und Dreifachspalten interferierten. Die Analyse bestätigt den Formalismus der etablierten Quantenmechanik und wurde im Journal "Science Advances" publiziert.

Die Quantenmechanik beschreibt sehr erfolgreich das Verhalten von Partikeln auf den kleinsten Masse- und Längenskalen. Die offensichtliche Unvereinbarkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

Anbausysteme im Wandel: Europäische Ackerbaubetriebe müssen sich anpassen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neue Einblicke in die Welt der Trypanosomen

16.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Maschinensteuerung an Anwender: Intelligentes System für mobile Endgeräte in der Fertigung

16.08.2017 | Informationstechnologie

Komfortable Software für die Genomanalyse

16.08.2017 | Informationstechnologie