Hintergrund 

Das Ballett der geladenen Teilchen

So tun als ob: Wenn Elektronen und Fermionen ihre Bewegungen aufeinander abstimmen

Von Rainer Scharf
 
Die Physiker greifen oft zu überraschenden Tricks, um komplexe Naturphänomene auf möglichst einfache Weise zu beschreiben. Gelegentlich tun sie so, als sei die Materie nicht nur aus Atomkernen und Elektronen aufgebaut, sondern auch aus fiktiven Teilchen mit ungewohnten Eigenschaften. Mit Hilfe dieser "Quasiteilchen" wird das verwickelte physikalische Geschehen in Kristallen oder dünnen Halbleiterschichten plötzlich durchschaubar. Über einige aufsehenerregende Erfolge dieser Quasiteilchenphysik hat Jürgen Smet vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Dresden berichtet.

Besonders verwickelt geht es zu, wenn sich Elektronen in einer dünnen Halbleiterschicht bewegen und dabei einem starken Magnetfeld ausgesetzt sind, das senkrecht durch die Schicht verläuft. Läßt man in der Schicht einen Strom fließen, so beginnen die Elektronen um die Feldlinien des Magnetfeldes zu kreisen. Zugleich entsteht eine elektrische Spannung, die sowohl zum Strom als auch zum Magnetfeld senkrecht steht und zunächst stetig mit der Magnetfeldstärke wächst.

Für ganz bestimmte Werte der Magnetfeldstärke erscheint diese Hall-Spannung jedoch wie eingefroren. Sie bleibt eine Zeitlang konstant, auch wenn man die Feldstärke erhöht. Dabei bleiben einige der Elektronen an Unregelmäßigkeiten im Kristallgefüge der Halbleiterschicht hängen, während sich andere unabhängig voneinander durch die Schicht bewegen können. Nur die beweglichen Elektronen tragen zur Hall-Spannung bei. Da sich ihre Zahl zunächst nicht ändert, wenn man die Magnetfeldstärke erhöht, bleibt auch die Hall-Spannung konstant. Für die Entdeckung dieses sogenannten ganzzahligen Quanten-Hall-Effekts wurde Klaus von Klitzing, in dessen Gruppe Smet arbeitet, 1985 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet.

Für noch stärkere Magnetfelder tritt der sogenannte fraktionale Quanten-Hall-Effekt auf, der in vielem dem ganzzahligen Effekt ähnelt. Wieder erscheint die Hall-Spannung wie eingefroren. Doch die Elektronen, die die Hall-Spannung verursachen, bewegen sich diesmal nicht unabhängig voneinander. Sie stimmen ihre Bewegungen aufeinander ab und führen ein äußerst kompliziertes Ballett auf. Man kann die Vorgänge in der Halbleiterschicht besser überschauen, wenn man sie mit sogenannten zusammengesetzten Fermionen beschreibt. Solche Quasiteilchen bestehen jeweils aus einem Elektron, an das sich zwei magnetische Flußquanten anheften, die dem Magnetfeld entgegengerichtet sind. Flußquanten sind nach den Gesetzen der Quantenmechanik die kleinsten Bestandteile eines Magnetfeldes.

Da die angehefteten Flußquanten das Magnetfeld dämpfen, verspüren die Quasiteilchen ein schwächeres Magnetfeld als die "nackten" Elektronen. Das führt dazu, daß sich die Quasiteilchen beim fraktionalen Effekt so verhalten wie die Elektronen beim ganzzahligen Effekt: Die Quasiteilchen bewegen sich unabhängig voneinander, und ihre Bewegungen lassen sich auf einfache Weise beschreiben. Wie neue Experimente mit noch stärkeren Magnetfeldern zeigen, können sich auch an die zusammengesetzten Fermionen noch weitere magnetische Flußquanten anheften. Dabei bilden sich neue Quasiteilchen, deren Verhalten wiederum dem der Elektronen beim ganzzahligen Quanten-Hall-Effekt ähnelt. Man beginnt, ein sich selbst wiederholendes Muster zu erahnen.

Daß es sich bei den zusammengesetzten Fermionen nicht um physikalische Hirngespinste handelt, konnten Smet und seine Mitarbeiter im vergangenen Jahr beweisen. Dazu haben sie die Elektronen in der Halbleiterschicht mit Radiowellen bestrahlt. Die Elektronen kreisten dabei um die magnetischen Feldlinien mit einer bestimmten Frequenz, die von der Stärke des Magnetfeldes abhing. Wenn die Frequenz der eingestrahlten Radiowellen mit der Umlauffrequenz der Elektronen übereinstimmte, regten die Radiowellen die Elektronen an und verloren dabei merklich an Energie. Beim fraktionalen Quanten-Hall-Effekt kreisten hingegen zusammengesetzte Fermionen um die Feldlinien. Da diese Quasiteilchen ein abgeschwächtes Magnetfeld verspürten, wurden sie auch von Radiowellen mit einer anderen Frequenz angeregt, wie Smet und seine Kollegen beobachten konnten. Darüber hinaus stellten die Forscher fest, daß ein zusammengesetztes Fermion deutlich schwerer sein kann als ein Elektron.

Wie das Elektron besitzt auch das zusammengesetzte Fermion einen Spin, ein winziges magnetisches Moment. Diese quantenmechanische Eigenschaft möchte man in neuartigen elektronischen Schaltungen oder vielleicht sogar einmal in einem Quantencomputer nutzen. Dazu muß man allerdings ausgerichtete Spins über längere Zeit von störenden Umwelteinflüssen abschirmen können. Auch manche Atomkerne tragen einen Spin, der im Innern des Atoms zwar gut geschützt ist, mit Hilfe von Elektronenspins aber nur schwer beeinflußt werden kann. Hier eröffnen die zusammengesetzten Fermionen neue Möglichkeiten. Anders als bei den Elektronen sind die Eigenschaften dieser Quasiteilchen nicht unveränderlich, sondern in einem großen Bereich variabel. Das haben die Stuttgarter Forscher dazu genutzt, die Spin-Ausrichtung von Elektronen auf Atomkerne zu übertragen, dort zu speichern und anschließend wieder auszulesen. Für seine wegweisenden Arbeiten hat Smet jetzt den Walter-Schottky-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft erhalten. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 09.04.2003, Nr. 84 / Seite N2

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