KIT: Was den Spin zum Umklappen bringt Forscher formulieren Einstein-de Haas-Effekt für Quantenmagnete

Die mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhre (schwarz) bestimmen das Umklappen des Spins (orange) eines Moleküls (grün und rot).
Die mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhre (schwarz) bestimmen das Umklappen des Spins (orange) eines Moleküls (grün und rot).

Der Einstein-de Haas-Effekt zeigt, dass Magnetismus auf den Drehimpuls von Elektronen zurückgeht. Er gilt als makroskopischer Nachweis des Elektronenspins. KIT und CNRS haben diesen Effekt erstmals auf Ebene eines einzelnen Spins untersucht und als „Quanten Einstein-de Haas-Effekt“ neu formuliert.

Makroskopische Eigenschaften unterscheiden sich oft wesentlich von Objekteigenschaften der Quantenmechanik. Elektronen verhalten sich beispielsweise wie kleine Magnete, mit Nord-/Süd-Ausrichtung. Unter bestimmten Voraussetzungen kann der Elektronenspin umklappen und das Teilchen seine Rotationsrichtung ändern.

Experiment mit großer Anzahl an Elektronenspins

Der Elektronenspin hat alle Eigenschaften des mechanischen Drehimpulses, mit Ausnahme der Abhängigkeit der Drehbewegung von der Masse. Der Elektronenspin ist durch die Spin-Quantenzahl s (s = 1/2) definiert. Der Gesamtspin setzt sich immer aus Spin-up und Spin-down zusammen. In der Dirac-Gleichung ist der Spin erstmals 1928 definiert worden; daraus entwickelte sich die relativistische Quantenmechanik. Anfang des 20. Jahrhunderts formulierten Wissenschaftler naturwissenschaftliche Gesetze, die das Verhalten von quantenphysikalischen Objekten beschreiben. Diese Gesetzmäßigkeiten unterscheiden sich von der klassischen Physik. Albert Einstein und der niederländische Physiker Wander Johannes de Haas führten beispielsweise 1915 gemeinsam ein Experiment durch, in dem ein von einer elektrischen Spule umschlossener magnetisierbarer Stab bei Stromzufuhr eine Rotation erfährt. Diese experimentelle Beobachtung beweist, dass der induzierte Magnetismus auf den Eigendrehimpuls der Elektronen des Stabmaterials zurückzuführen ist. Das Experiment gilt als makroskopischer Nachweis des Elektronenspins und ist als Einstein-de Haas Effekt bekannt.

Was geschieht bei einem einzelnen Spin?

Was aber geschieht, wenn im Unterschied zu einer großen Anzahl an Elektronenspins, stattdessen ein einziger Spin, nämlich der Spin eines Quantenmagneten, betrachtet wird? Dieser Frage gingen Forscher des KIT und Institut Néel des Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Grenoble/Frankreich nach: Der Stromfluss durch ein magnetisches Molekül auf einer Kohlenstoffnanoröhre wurde unter Änderung des externen Magnetfelds gemessen. Die Änderung des magnetischen Moments im Quantenmagneten wird von den mechanischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhre bestimmt.

„Nur wenn der Spin mit einem Phonon mit der richtigen Energie koppelt, kann er umklappen“, erklärt Professor Mario Ruben von KIT.

Den erläuterten Zusammenhang formulierten die Forscher als „Quanten Einstein-de Haas-Effekt“ für die Nanowelt der Quantenmagnete. 

Was nun?

Künftiges Ziel der Forscher ist es, erste Bauteile für Quantencomputer herzustellen. Quantencomputer sind schnelle und energieeffiziente Computer, die auf magnetischen Molekülen und deren Kernspin basieren.

Quelle: Marc Ganzhorn, Svetlana Klyatskaya, Mario Ruben & Wolfgang Wernsdorfer: “Quantum Einstein-de Haas effect”. Nature Communications, 2016.