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Dresdner und Schweizer Physiker spalten Elektron

Künstlerische Darstellung des Zerfalls eine Elektrons in ein Spinon und ein Orbiton. Abb.: David Hilf

Künstlerische Darstellung des Zerfalls eine Elektrons in ein Spinon und ein Orbiton. Abb.: David Hilf

Villingen/Dresden, 18.4.2012: Physiker eines internationalen Forschungsteams haben ein Elektron in zwei Teilchen aufspaltet: ein „Spinon“ und ein „Orbiton“. Das Faszinierende: Beide Subteilchen tragen jeweils unterschiedliche Eigenschaften des Elektrons – das Spinon seinen Eigenimpuls und damit die magnetischen Eigenschaften des Elektrons, das Orbiton seine Bewegung um den Atomkern. Das Team aus Experimentalphysikern des schweizerischen Paul-Scherrer-Instituts in Villingen und aus theoretischen Physikern am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden haben diese Befunde nun in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

PSI-Forscher Thorsten Schmitt (l.) und Kejin Zhou bringen in der der ADRESS-Strahllinie eine Materialprobe ein. Abb.: Scanderbeg Sauer Photography

PSI-Forscher Thorsten Schmitt (l.) und Kejin Zhou bringen in der ADRESS-Strahllinie eine Materialprobe ein. Abb.: Scanderbeg Sauer Photography

Röntgenbeschuss ließ Elektronen zerfallen

Für ihr Experiment beschossen die Physiker Atome der Strontium-Kupferoxid-Verbindung Sr2CuO3 mit intensiver Röntgenstrahlung aus der Synchrotron-Lichtquelle „Schweiz SLS“. Dadurch sprangen einige Elektronen auf höhere Energieniveaus – in Anlehnung an das Planetenmodell als „Orbitale“ bezeichnet – und zerfielen in „Spinon“ und „Orbiton“. Dabei handelt es sich um „Quasi-Teilchen“, so benannt, weil sie sich nicht außerhalb von Festkörpern isolieren lassen.

„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 sei die SLS am Paul-Scherrer-Institut zurzeit weltweit führend.

Spaltprozess war theoretisch bereits vorausgesagt
Prof. Jeroen van den Brink. Abb.: IFW Dresden

Prof. Jeroen van den Brink. Abb.: IFW Dresden

Jeroen van den Brink, der Leiter der Theoretikergruppe am IFW Dresden: „Schon seit einiger Zeit weiß man, dass sich ein Elektron in bestimmten Materialien prinzipiell aufspalten kann. 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.“

 

Dass Elektronen prinzipiell in Teile spaltbar sind, die den Spin (eine Art Eigendrehimpuls) beziehungsweise nur  die Ladung tragen, sei bereits vor 30 Jahren theoretisch vorausgesagt worden, erklärte van den Brink. Der 43-Jährige Niederländer, der seit zweieinhalb Jahren am IFW tätig ist, hatte diese Vorhersage weiter verfeinert und auch die Orbitone in das Modell eingearbeitet. All dies konnte aber erst jetzt experimentell nachgewiesen werden. Der Theoretiker rechnet damit, dass die Entdeckung in der internationalen Wissenschaftsgemeinde für viel Aufsehen sorgen wird.

Neue Erkenntnisse über Hochtemperatur-Supraleitung erhofft

Denn auch wenn der Weg bis dahin sicher noch weit ist: „Spinon“ und „Orbiton“ könnten sich als wichtige Schlüssel erweisen, um künftig einmal Kabel und elektrische Geräte zu konstruieren, die Strom bei Zimmertemperatur widerstandslos leiten – was für die Volkswirtschaft und die Umwelt enorme Fortschritte und vor allem Energieersparnisse bedeuten würde.

Dahinter steckt der bereits seit längerem bekannte „Supraleit-Effekt“, der bisher allerdings nur bei sehr tiefen Temperaturen funktioniert. Immerhin ist es Physikern und Materialwissenschaftlern in den vergangenen Jahrzehnten bereites gelungen, neue Werkstoffe (vor allem Hightech-Keramiken) zu finden, die nicht mehr nur mit dem teuren Helium tiefgekühlt werden müssen, sondern die auch bei einer relativ preisgünstigen Stickstoff-Kühlung noch supraleitend arbeiten.

Schwebende Straßenbahnen der Zukunft im Blick
Die Supratrans-Schwebebahn auf der Teststrecke in Dresden-Niedersedlitz. Abb.:evico

Die Supratrans-Schwebebahn auf der Teststrecke in Dresden-Niedersedlitz. Abb.:evico

Darauf basiert beispielsweise das Supratrans-Projekt des IFW, das künftig zu extrem energiegenügsamen, leisen und über der Fahrbahn schwebenden Straßenbahnen und anderen Fahrzeugen führen soll (Wir berichteten).

Die Forscher erhoffen sich von ihren neuen Teilchen nun unter anderem neue Erkenntnisse, wie Hochtemperatur-Supraleitung eigentlich zu Stande kommt und wie der Temperaturpunkt, ab dem sie zusammenbricht, weiter nach oben getrieben werden kann. Heiko Weckbrodt

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