© David Hilf, Hamburg
Künsterische Darstellung der Aufspaltung eines Elektrons in zwei Quasiteilchen,
Ladung, Spin und Bahndrehimpuls - das sind drei fundamentale Eigenschaften, die allen Elektronen zu eigen sind. Durch den Spin oder Eigendrehimpuls werden die Teilchen zu winzigen atomaren Magneten, die den Magnetismus in den Materialien hervorrufen. Gleichzeitig schwirren die Elektronen in „Orbitalen“ um den Atomkern, was ihnen einen charakteristischen Bahndrehimpuls oder ein orbitales Moment verleiht. Ob in Atomen oder Festkörpern, die drei Eigenschaften bilden für ein Elektron normalerweise ein untrennbares Dreigestirn - so sollte man meinen. Doch vor einigen Jahren haben Wissenschaftler eine erstaunliche Entdeckung gemacht: Unter bestimmten Bedingungen lassen sich Spin und Ladung eines Elektrons voneinander trennen. Aus einem einzelnen Elektron werden dadurch gewissermaßen zwei Teilchen, von denen das eine die Ladung, das andere den Spin trägt. Jetzt ist deutschen und Schweizer Forschern ein ähnliches, aber weitaus schwierigeres Experiment gelungen. Sie haben den Spin und den Bahndrehimpuls eines Elektrons voneinander separiert.
Das Wesen der Quasiteilchen
Das Elektron ist bei den Versuchen freilich weiterhin ein unteilbares Elementarteilchen geblieben. Was die Forscher beobachtet haben, sind zwei verschiedene Anregungstände des Elektrons. Da diese sich wie normale Teilchen verhalten, spricht man von Quasiteilchen. Diese Vorstellung ist in der Festkörperphysik weit verbreitet, da es erlaubt, komplexe Prozesse, zu vereinfachen und so leichter zu beschreiben. Das wohl geläufigste Quasiteilchen ist das „Loch“. Es beschreibt die Lücke, die in der Bandstruktur eines Halbleiters entsteht, wenn ein Elektron etwa in Folge einer Anregung seinen angestammten Platz verlassen hat. Der verwaiste Platz - das Loch - verhält sich wie ein positiv geladene Teilchen.
Erste Separationsbestrebungen
Mitte der neunziger Jahre hatten Forscher aus Japan und Korea beobachtet, dass man unter bestimmten Bedingungen aus einem Elektron zwei Quasiteilchen erzeugen konnte, als man es geschickt aus dem Kristallgitter herauslöste (“Physical Review Letters“, doi: 10.1103/PhysRevLett.77.4054) . Die Quasiteilchen bildeten sich in der Lücke, die das Elektron hinterlassen hatte. Eines trug den Spin, das andere die Ladung. Quasiteilchen zu erzeugen, die auch den Drehimpuls des Elektrons mitführen, galt dagegen als zu schwierig. Forscher vom Paul-Scherrer-Institut in Villigen und des Helmholtz-Zentrums Berlin haben diese Hürde nun genommen.
Für ihre Experimente griffen die Forscher um Justine Schlappa auf ein besonderes Material zurück: ein Strontium-Kupferoxid-Kristall, in dem die Kupferoxideinheiten wie Perlen einer Ketten aufgereiht sind und somit eine eindimensionale Struktur bilden. Dadurch sind die äußeren Elektronen des Kupfers einer Beschränkung unterworfen. Sie können sich nur in eine Richtung bewegen - entweder vorwärts oder rückwärts.
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Forscher des Paul-Scherrer-Instituts Thorsten Schmitt (links) mit Post-doc Kejin Zhou (rechts) am RIXS Messplatz der ADRESS Strahllinie an der SLS beim Einbringen einer Materialprobe in die Messapparatur. Hier können Materialien mit Hilfe von Röntgenstrahlung mit sehr hoher Präzision analysiert werden.
Röntgenlich fördert den Zerfall
Die Wissenschaftler bestrahlten ihre Probe, die auf minus 260 Grad gekühlt wurde, mit Röntgenlicht der Synchrotronquelle SLS des Paul-Scherrer-Instituts. Durch die energiereiche Strahlung wurden einige der äußeren Elektronen des Kupfers auf Orbitale höherer Energie gehoben, was eine schnellere Bewegung um den Atomkern zur Folge hatte. Gleichzeitig wechselten die Elektronenspins ihre Richtung. Als Folge dieser Anregung und aufgrund der eingeschränkten Bewegungsfreiheit zerfiel jedes angeregte Elektron in zwei verschiedene Quasiteilchen, die sich unterschiedlich schnell fortbewegten. Eines davon, das „Spinon“, trug die Information über den Spin und damit über die magnetischen Eigenschaften des Elektrons. Das andere, das „Orbiton“ führte die Informationen über den Bahndrehimpuls mit sich, also die Eigenschaft der durch die Anregung erhöhten Orbitalenergie.
Indirektrer Nachweis
Allerdings war es Schlappa und ihren Kollegen nicht möglich, die beiden Quasiteilchen direkt zu beobachten. Dass sich die Eigenschaften des Elektrons aufgeteilt hatten, verrieten Energie und Impuls der Röntgenstrahlung, die von der Probe zurückgeworfen wurde. Beides hatte sich bei der Wechselwirkung der energiereichen Photonen mit den Elektronen des Kupferoxids auf charakteristische Weise verändert. Aus dieser Variation ermittelten die Forscher die Eigenschaften der erzeugten Quasiteilchen, wie sie in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Nature“ (doi: 10.1038/nature10974) berichten. „Für die Experimente benötigten wir Röntgenlicht mit sehr hoher Intensität und äußerst genau bestimmter Energie, um die gewünschte Wirkung auf die Kupferatome erzielen zu können, aber auch extrem präzise Röntgendetektoren“, sagt Thorsten Schmitt, der Leiter der Forschergruppe in Villigen.
Erkenntnisgewinn für Supraleitung
Die beobachtete Aufspaltung der Elektronen könnte wichtige Erkenntnisse auf dem Gebiet der Hochtemperatur-Supraleitung liefern. Noch immer ist der Mechanismus nicht klar, wie es den Elektronen in gewissen Kupferoxid-Keramiken gelingt, schon bei vergleichsweise hohen Temperaturen reibungsfrei durch das Kristallgitter zu wandern. Da man weiß, das sich die Elektronen in Supraleitern auf Kupferoxidbasis ähnlich verhalten wie in dem Strontium-Kupferoxid, hofft man nun auf neue Hinweise. Auch für die Mikroelektronik könnten die Beobachtungen der Forscher an Bedeutung gewinnen. Bei voranschreitender Miniaturisierung spielen Quanteneffekte, denen die Elektronen unterworfen sind, eine zunehmend größere Rolle.
