Elektron → Spinon + Orbiton

  • 18. April 2012

Aufspaltung eines Elektrons in einem Festkörper an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS erstmals beobachtet.

Elektronen können sich in zwei voneinander getrennte Teile aufspalten, die jeweils eine bestimmte Eigenschaft des Elektrons tragen: Das Spinon trägt dann den Spin des Elektrons, das Orbiton ist Träger des Bahndrehimpulses. Diese Teilchen können das Material, in dem sie erzeugt wurden, aber nicht verlassen. Jetzt gelang es in einem am Paul Scherrer Institut unter Mitwirkung von theoretischen Physikern des Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden durchgeführten Experiment, Spin und Orbitalmoment des Elektrons zu trennen und zu beobachten.

Jeroen van den Brink (links) und Krzysztof Wohlfeld (Mitte) vom IFW diskutieren die theoretische Beschreibung der Messresultate mit PSI-Forscher Thorsten Schmitt.

Abb.: Jeroen van den Brink (links) und Krzysztof Wohlfeld (Mitte) vom IFW diskutieren die theoretische Beschreibung der Messresultate mit PSI-Forscher Thorsten Schmitt. (Bild: Philipp Dera)

Die Wissenschaftler konnten die Aufspaltung des Elektrons in zwei neue Teilchen bei Messungen am Strontium-Kupferoxid Sr2CuO3 feststellen. In diesem Material ist die Bewegung der Teilchen auf eine Dimension beschränkt. Mithilfe von Röntgenstrahlung konnten die Wissenschaftler einige Elektronen der Kupferatome im Strontium-Kupferoxid Sr2CuO3 auf Orbitale höherer Energie heben, was einer schnelleren Bewegung um den Atomkern entspricht. Nach dieser Anregung durch Röntgenstrahlung spalteten sich die Elektronen in zwei Teile auf. In dieser Studie konnten die Fosrcher diese beiden fundamentalen Momente des Elektrons erstmals in voneinander getrenntem Zustand beobachten.

Im Experiment richtete man Röntgenlicht der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS auf das spezielle Kupferoxid und beobachtete, wie sich Energie und Impuls der Röntgenstrahlung bei der Kollision mit der Substanz verändert. Aus der Veränderung lassen sich die Eigenschaften der neu erzeugten Teilchen bestimmen. „Für diese Experimente benötigen wir nicht nur Röntgenlicht mit sehr hoher Intensität und äußerst genau bestimmter Energie, um die gewünschte Wirkung auf die Kupferatome zu erzielen“, erklärt Thorsten Schmitt, der Leiter der PSI-Experimentatorengruppe, „sondern auch extrem präzise Röntgendetektoren.“ In dieser Hinsicht ist die SLS am Paul Scherrer Institut zurzeit weltweit führend.

PSI-Forscher 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.

Abb.: PSI-Forscher Thorsten Schmitt (links) mit Post-doc Kejin Zhou am RIXS Messplatz der ADRESS Strahllinie an der SLS beim Einbringen einer Materialprobe in die Messapparatur. (Bild: Scanderbeg Sauer Phot.)

„Schon seit einiger Zeit weiß man, dass sich ein Elektron in bestimmten Materialien prinzipiell aufspalten kann“, erklärt Jeroen van den Brink, der Leiter der Theoretikergruppe am IFW, „aber bisher fehlte die empirische Bestätigung dieser Trennung in voneinander unabhängige Spinonen und Orbitonen. Jetzt wissen wir genau, wo wir diese neuen Teilchen suchen müssen, und werden sie in zahlreichen weiteren Materialien finden.“

Die beobachtete Aufspaltung der Elektronen könnte außerdem wichtige Schlüsse auf einem anderen Forschungsgebiet ermöglichen, nämlich der Hochtemperatur-Supraleitung. Elektronen verhalten sich in Sr2CuO3 und in Supraleitern auf Kupferbasis ähnlich. Somit eröffnet das Verständnis der Aufspaltung eines Elektrons in dem hier betrachteten Material möglicherweise neue Wege zu einem erweiterten theoretischen Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung.

PSI / OD

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