Quanten-Einstein-de-Haas-Effekt

  • 03. June 2016

Hundert Jahre alter Einstein-de-Haas-Effekt nun quantenmechanisch verallgemeinert.

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.

Abb.: Die mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhre (schwarz) bestimmen das Umklappen des Spins (orange) eines Moleküls (grün und rot). (Bild: C. Grupe, KIT)

Abb.: Die mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhre (schwarz) bestimmen das Umklappen des Spins (orange) eines Moleküls (grün und rot). (Bild: C. Grupe, KIT)

Unter bestimmten Bedingungen kann der Spin umklappen und das Teilchen seine Rotations­richtung ändern. 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. Wie diese Beobachtung beweist, ist der erzeugte Magnetismus auf den Eigen­dreh­impuls der inhärenten Elektronen des Stab­materials zurück­zuführen. 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 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 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 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 Quanten­magneten. Einer der beteiligten Wissenschaftler, 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, neue 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.

KIT / DE

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