Wenn Spin und Ladung getrennte Wege gehen

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