Elektronenspin-Flips in neuem Licht
Verbesserte theoretische Beschreibung von Elektronenspinresonanz-Experimenten.
Elektronenspins sind Quantenobjekte mit faszinierenden Eigenschaften. Sie können als empfindliche Sonden genutzt werden, um die Struktur von Materialien auf atomarer Ebene zu untersuchen. Dabei verhalten sich Elektronenspins wie winzige Magnete, die in einem äußeren Magnetfeld entweder parallel oder antiparallel ausgerichtet werden. Elektromagnetische Strahlung ist genau dann in der Lage Spin-Flips, also Übergänge zwischen diesen beiden Zuständen, herbeizuführen, wenn ihre Energie dem Energieunterschied der beiden Orientierungen entspricht. Man bezeichnet diese Methode als Elektronenspinresonanz (electron paramagnetic resonance, EPR). Mit ihr können Forscher die Wechselwirkungsenergien der Spins untersucht und ihre Zustände manipulieren. Die Wahrscheinlichkeit für einen EPR-induzierten Spin-Flip hängt davon ab, wie die magnetische Komponente der elektromagnetischen Strahlung gegenüber dem äußeren Magnetfeld orientiert ist. Hier bestand bisher eine Lücke in der theoretischen Beschreibung, da Übergangswahrscheinlichkeiten bislang nur für wenige experimentelle Anordnungen berechnet werden.
Abb.: Karsten Holldack, Alexander Schnegg und Joscha Nehrkorn am THz-EPR Messplatz am Speicherring BESSY II. (Bild: HZB)
Joscha Nehrkorn vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und seinen Kollegen ist es nun gelungen, diese Beschränkung zu überwinden und Gleichungen abzuleiten, die die Übergangswahrscheinlichkeiten auch für andere experimentellen Anordnungen beschreiben. Die Gleichungen gelten für beliebige Ausrichtungen der anregenden Strahlung gegenüber dem äußeren Feld und für beliebig polarisierte Strahlung. „Auf der Basis dieser Theorie haben wir ein allgemeinzugängliches Computerprogramm entwickelt, das es erlaubt, die Ergebnisse von EPR-Experimenten zu interpretieren und sogar vorherzusagen, die bisher nur teilweise verstanden wurden“, erklärt Nehrkorn.
Um den Ansatz zu testen, hat das Team die Spins von dreiwertigen Eisenatomen in Porphyrinen in einem hohen Magnetfeld ausgerichtet und dann mit intensiver linear polarisierter Terahertz-Strahlung aus dem Elektronenspeicherring BESSY II des HZB bestrahlt. Dabei variierten sie die Richtung der magnetischen Komponente der THz-Strahlung relativ zum äußeren Magnetfeld. Durch den Vergleich zwischen berechneten und experimentell ermittelten EPR-Signalen konnten sie die Richtigkeit des neuen theoretischen Ansatzes überprüfen.
Diese Weiterentwicklungen in der EPR-Methodik können zukünftig helfen, die Aussagekraft von EPR-Experimenten beispielsweise für Fragestellungen in den Lebenswissenschaften, neuen Informationstechnologien (Spintronik, Quantencomputer) oder in der Forschung an Energiematerialien deutlich zu steigern.
HZB / RK
