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 Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für 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

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: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

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....

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

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften