Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Was den Spin zum Umklappen bringt

02.06.2016

Der Einstein-de Haas Effekt zeigt, dass der Magnetismus auf den Drehimpuls von Elektronen zurückgeht, und gilt als makroskopischer Nachweis des Elektronenspins. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Institut Néel des CNRS Grenoble haben diesen Effekt nun erstmals auf der Ebene eines einzelnen Spins untersucht und als „Quanten Einstein-de Haas Effekt“ neu formuliert. Über ihre Arbeit berichten sie in der Zeitschrift Nature Communications (DOI: 10.1038/ncomms11443).

Quantenobjekte besitzen Eigenschaften, die sie wesentlich von makroskopischen Objekten unterscheiden. Demnach verhalten sich Elektronen wie winzig kleine Magnete, bei denen ein Pol nach oben weist. Unter bestimmten Bedingungen kann der Spin umklappen und das Teilchen seine Rotationsrichtung ändern.


Die mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhre (schwarz) bestimmen das Umklappen des Spins (orange) eines Moleküls (grün und rot).

Abbildung: Christian Grupe/KIT

Wissenschaftler formulierten Anfang des 20. Jahrhunderts die Gesetze, die das Verhalten von quantenphysikalischen Objekten im Unterschied zu Objekten der klassischen Physik beschreiben. So führte Albert Einstein 1915 gemeinsam mit dem niederländischen Physiker Wander Johannes de Haas ein Experiment durch, in dem ein von einer elektrischen Spule umschlossener magnetisierbarer Stab beim Einschalten eines elektrischen Stroms eine Rotation erfährt.

Diese Beobachtung beweist, dass der erzeugte Magnetismus auf den Eigendrehimpuls der inhärenten Elektronen des Stabmaterials zurückzuführen ist. Sie gilt als makroskopischer Nachweis des Elektronenspins und wurde als Einstein-de Haas Effekt bekannt.

Was aber geschieht, wenn das magnetische Material, das im oben beschriebenen Experiment aus einer großen Zahl von Elektronenspins besteht, auf einen einzigen Spin – den Spin eines Quantenmagneten – reduziert wird? Dieser Frage gingen Forscher des KIT und des Institut Néel des Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Grenoble/Frankreich nach:

Sie befestigten ein magnetisches Molekül auf einer Kohlenstoffnanoröhre und maßen den Stromfluss durch diese Anordnung unter Änderung des externen Magnetfelds. Wie die Wissenschaftler nun in der Zeitschrift Nature Communications berichten, wiesen sie damit nach, dass das Umkippen des magnetischen Moments des Quantenmagneten von den mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhre bestimmt wird.

„Nur wenn der Spin mit einem Phonon mit der richtigen Energie koppelt, kann er umklappen“, erklärt Professor Mario Ruben, Leiter des Arbeitskreises Molekulare Materialien am Institut für Nanotechnologie (INT) und Institut für Anorganische Chemie (AOC) des KIT.

Diesen Zusammenhang formulierten die Forscher nun neu als „Quanten Einstein-de Haas Effekt“ für die Nanowelt der Quantenmagnete. Einer der beteiligten Wissenschaftler, Professor Wolfgang Wernsdorfer, kehrt am 1. Juni dieses Jahres vom Institut Néel in Grenoble nach Deutschland zurück und baut im Rahmen einer Humboldt-Professur am KIT ein bis jetzt einzigartiges Zentrum für molekulare Quantenspintronik auf.

Damit ist es nun möglich, bahnbrechende Arbeiten zu Elektronik, Spinphysik und Quantencomputing am KIT durchzuführen. Eines der Ziele ist, die ersten Bauteile für Quantencomputer herzustellen – ultraschnelle und energieeffiziente Computer, die auf magnetischen Molekülen und Kernspins basieren.

Marc Ganzhorn, Svetlana Klyatskaya, Mario Ruben & Wolfgang Wernsdorfer: Quantum Einstein-de Haas effect. Nature Communications, 2016. DOI: 10.1038/ncomms11443

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) verbindet seine drei Kernaufgaben Forschung, Lehre und Innovation zu einer Mission. Mit rund 9 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie 25 000 Studierenden ist das KIT eine der großen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas.

KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

Das KIT ist seit 2010 als familiengerechte Hochschule zertifiziert.

Diese Presseinformation ist im Internet abrufbar unter: http://www.kit.edu

Monika Landgraf | Karlsruher Institut für Technologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie
06.12.2016 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Neue Perspektiven durch gespiegelte Systeme
05.12.2016 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weiterbildung zu statistischen Methoden in der Versuchsplanung und -auswertung

06.12.2016 | Seminare Workshops

Bund fördert Entwicklung sicherer Schnellladetechnik für Hochleistungsbatterien mit 2,5 Millionen

06.12.2016 | Förderungen Preise

Innovationen für eine nachhaltige Forstwirtschaft

06.12.2016 | Agrar- Forstwissenschaften