Wie Magnetismus entsteht: Elektronen stärker verbunden als gedacht

Die Wechselwirkung der Elektronen hängt von ihrer Geschwindigkeit bzw. ihrem Impuls ab, wie diese Verteilung zeigt. In klassischen Modellen wäre sie dagegen konstant, was hier einer Fläche entspräche. C. Tusche et al., Nature Communications (2018), DOI: 10.1038/s41467-018-05960-5 (CC BY 4.0) https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Für ihre Untersuchung nutzten die Forscher ein spezielles Elektronenmikroskop, das das Forschungszentrum Jülich am Elettra-Speicherring im italienischen Triest betreibt.

Magnetische Materialien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Das Phänomen ist seit rund 3.000 Jahren bekannt und für viele technische Anwendungen von Bedeutung, vom Kompass über den Elektromotor bis zum Datenspeicher. Wie man schon lange weiß, werden die magnetischen, oder genauer: ferromagnetischen, Eigenschaften durch eine kollektive Ausrichtung der Elektronenspins erzeugt. Doch wie dieser Prozess genau abläuft, ließ sich bis jetzt nicht direkt beobachten.

Der Elektronenspin ist so etwas wie das quantenmechanische Pendant der Drehung eines Elektrons um sich selbst. Dabei sind nur zwei Spinzustände möglich. Sie werden auch als „Up“ und „Down“ bezeichnet. In unmagnetischen Materialien treten beide Spinzustände ungefähr gleich häufig auf. Magnetische Materialien zeichnen sich dagegen dadurch aus, dass die Spins mehrheitlich in eine Richtung zeigen, also mehrheitlich „Up“ oder „Down“ sind.

Die Messung der Spinzustände brachte nun ein durchaus überraschendes Ergebnis: „Bis jetzt war nicht ganz klar, dass die Wechselwirkungen in magnetischen Materialien, die dafür sorgen, dass sich die Elektronenspins einheitlich ausrichten, eine gewisse Ausdehnung haben“, berichtet Dr. Christian Tusche vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-6).

„In klassischen Modellen nimmt man an, dass jedes Elektron nur lokal mit seinen nächsten Nachbarn wechselwirkt. Aber wir sehen jetzt ganz deutlich, dass es auch durch Elektronen weiter weg beeinflusst wird. Das wird unser Verständnis vom Magnetismus verändern.“

Für ihre Untersuchungen nutzten die Forscher das NanoESCA-Mikroskop in Triest. „Normalerweise werden Elektronenmikroskope dazu verwendet, stark vergrößerte Bilder einer Probe zu erhalten. Das NanoESCA liefert dagegen auch anders geartete Aufnahmen, in diesem Fall eine Art Landkarte der Geschwindigkeitsverteilung der Leitungselektronen, die auch den Spin der Elektronen zeigt“, erklärt Christian Tusche.

Ermöglicht wird dies durch spezielle Eigenschaften des Synchrotron-Lichts, wie etwa die Durchstimmbarkeit der Wellenlänge, die es erlauben, den Impuls der Leitungselektronen und deren Polarisation, also praktisch die Geschwindigkeit und den Spinzustand, sehr genau zu erfassen.

Mit dem neuartigen Verfahren, das auch als „spinauflösende Impulsmikroskopie“ oder „Spin Resolving Momentum Microscopy“ bezeichnet wird, konnten die Forscher nun zum ersten Mal die vorherrschenden Majoritäts- und die selteneren Minoritäts-Spinzustände in einem magnetischen Material differenziert erfassen.

Dies wiederum ist die Voraussetzung dafür, um die Wechselwirkung zwischen einzelnen Elektronen zu bestimmen, die zur kollektiven Ausrichtung der Elektronenspins und damit zur Entstehung des Magnetismus führt.

Dr. Christian Tusche
Peter Grünberg Institut, Elektronische Eigenschaften (PGI-6)
Tel.: +49 2461 61-4627
E-Mail: Nature Communications

Nonlocal electron correlations in an itinerant ferromagnet
Christian Tusche, Martin Ellguth, Vitaliy Feyer, Alexander Krasyuk, Carsten Wiemann,
Jürgen Henk, Claus M. Schneider & Jürgen Kirschner;
Nature Communications (published online September 13, 2018), DOI: 10.1038/s41467-018-05960-5

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2018/fachmeldungen/…

Media Contact

Dipl.-Biologin Annette Stettien Forschungszentrum Jülich

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie

Von grundlegenden Gesetzen der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen, den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie über Felder in Raum und Zeit bis hin zur Struktur von Raum und Zeit selbst.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Astrophysik, Lasertechnologie, Kernphysik, Quantenphysik, Nanotechnologie, Teilchenphysik, Festkörperphysik, Mars, Venus, und Hubble.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

KI-basierte Software in der Mammographie

Eine neue Software unterstützt Medizinerinnen und Mediziner, Brustkrebs im frühen Stadium zu entdecken. // Die KI-basierte Mammographie steht allen Patientinnen zur Verfügung und erhöht ihre Überlebenschance. Am Universitätsklinikum Carl Gustav…

Mit integriertem Licht zu den Computern der Zukunft

Während Computerchips Jahr für Jahr kleiner und schneller werden, bleibt bisher eine Herausforderung ungelöst: Das Zusammenbringen von Elektronik und Photonik auf einem einzigen Chip. Zwar gibt es Bauteile wie MikroLEDs…

Antibiotika: Gleicher Angriffspunkt – unterschiedliche Wirkung

Neue antimikrobielle Strategien sind dringend erforderlich, um Krankheitserreger einzudämmen. Das gilt insbesondere für Gram-negative Bakterien, die durch eine dicke zweite Membran vor dem Angriff von Antibiotika geschützt sind. Mikrobiologinnen und…

Partner & Förderer