Sensation am PSI: PhysikerInnen beobachten die Aufspaltung eines Elektrons in einem Festkörper

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PhysikerInnen eines internationalen Forschungsteams konnten beobachten, wie sich ein Elektron in zwei voneinander getrennte Teile aufspaltet, die jeweils eine bestimmte Eigenschaft des Elektrons tragen: Das sogenannte «Spinon» trägt dann den Spin des Elektrons, also seine Eigenrotation, die das Elektron zu einer winzigen Kompassnadel macht. Das «Orbiton» ist der Träger des orbitalen Moments – der Bewegung um den Atomkern. Diese neu hergestellten Teilchen können das Material, in dem sie erzeugt wurden, aber nicht verlassen. Diese in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Ergebnisse stammen von einer internationalen Forschungsgruppe unter der Führung von Experimentalphysikern des schweizerischen Paul Scherrer Instituts und von theoretischen Physikern am IFW Dresden.

Alle Elektronen besitzen eine als «Spin» bezeichnete Eigenschaft: Man kann sich die Elektronenspins als winzige atomare Magnete vorstellen, die den Magnetismus der Stoffe und Materialien erzeugen. Gleichzeitig bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Bahnen, den sogenannten «Orbitalen», um den Atomkern. In der Regel gehören diese beiden quantenphysikalischen Eigenschaften (Spin und Orbitalmoment von der Bahnbewegung) zu einem bestimmten Elektron. Jetzt gelang es in einem am Paul Scherrer Institut durchgeführten Experiment, diese Eigenschaften des Elektrons zu trennen.

Röntgenstrahlung spaltet das Elektron in Spinon und Orbiton

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; sie können sich nur entlang einer Achse fortbewegen, entweder vor- oder rückwärts. 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. Eines dieser neu erzeugten Teilchen, das «Spinon», trägt den Elektronenspin, also die magnetischen Eigenschaften. Das andere Teilchen, das «Orbiton», trägt das orbitale Moment, also die Eigenschaft der nun erhöhten Bahnenergie. In dieser Studie konnte man 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 Experimentatorengruppe, «sondern auch extrem präzise Röntgendetektoren.» In dieser Hinsicht ist die SLS am Paul Scherrer Institut zurzeit weltweit führend.

Elektronenspaltung vermutlich in vielen Materialien nachweisbar

«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 Dresden, «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.»

Ergebnisse könnten das Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung unterstützen

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.

  

Quelle: Paul Scherrer Institut
Bild: 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. Materialien mit Hilfe von Röntgenstrahlung mit sehr hoher Präzision analysiert werden. (Foto: Scanderbeg Sauer Photography)

 

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