Die Vermessung der Langsamkeit
Quantenmechanisches Limit der langsamst möglichen Diffusion von Teilchen bestimmt.
Wenn die Spins von Atomen räumlich nicht gleichmäßig verteilt sind, setzt Diffusion ein, um einen Ausgleich zu erzielen. Physiker vom Cavendish Laboratory der Universität Cambridge (England) und der Universität Bonn haben nun untersucht, wie sich mit Hilfe der Diffusion eine Spinanregung in einem Material ausbreitet. „Die Frage war, ob es ein quantenmechanisches Limit gibt, wie langsam diese Diffusion stattfinden kann“, sagt Michael Köhl, neuer Humboldt-Professor am Physikalischen Institut der Universität Bonn, der zuvor in Cambridge arbeitete. „Die Theorie sagt, dass es ein solches Limit geben sollte.“
Abb.: Mit diesem Versuchsaufbau bestimmten die Physiker das quantenmechanische Limit für die Ausbreitung einer Spinanregung. (Bild: E. Vogt)
Die Wissenschaftler vermaßen ein Gas in einem optischen Gitter. Als Messmethode nutzten sie die Kernspinresonanz und die Spin-Echo-Technik. So konnten die Physiker zeigen, dass die absolut langsamste Geschwindigkeit der Diffusion nur von der Teilchenmasse und dem Planckschen Wirkungsquantum abhängt. „Wir haben damit einen allgemeingültigen Vorgang der Diffusion beschrieben“, berichtet Köhl.
Dieses Ergebnis aus der Grundlagenforschung ist zum Beispiel wichtig für die Spintronik. Sie basiert auf dem magnetischen Moment des Elektrons zur Informationsdarstellung und –verarbeitung. Mit Hilfe der Elektronenspins lassen sich Informationen ohne Fortbewegung der Elektronen übertragen.
Wenn sich Elektronen in Leitern bewegen – wie zum Beispiel auch in Computern –, erzeugen sie aufgrund des Ohmschen Leitungswiderstands viel Wärme. „Die Spinübertragung kommt dagegen ohne diese Wärmeverluste aus“, sagt Köhl. „Unsere Ergebnisse zur Diffusion helfen, diesen Spintransport besser zu verstehen.“ Solche Resultate aus der Grundlagenforschung könnten in die Entwicklung neuartiger Computer münden.
U. Bonn / PH
