Wenn Elektronen Händchen halten
Spin-Dicke-Effekt mithilfe organischer Leuchtdioden erstmals sichtbar gemacht.
Organische Leuchtdioden – kurz OLEDs – haben die Display-Technik revolutioniert und finden sich heute in vielen Smartphones. Ein internationales Forscherteam der Unis Regensburg, Salt Lake City und Queensland konnte nun zeigen, welches Potential OLEDs auch in der wissenschaftlichen Grundlagenforschung haben. Erstmals wurden zwei bislang nur theoretisch vorhergesagte Phänomene der Quantenphysik experimentell nachgewiesen: der AC-Zeeman-Effekt und der Spin-Dicke-Effekt. Die Wissenschaftler haben die Elektronen in einer OLED unter Einstrahlung von Radiowellen quasi gleichgeschaltet, sodass sich ein neuartiger kollektiver Zustand ausbildet.
Abb.: Die Bestrahlung einer OLED im Magnetfeld führt bei einer bestimmten Magnetfeldstärke zu einer positiven Änderung des Stroms (rot): Eine Resonanz entsteht. Bei erhöhter Strahlungsintensität spaltet sich die Resonanz in zwei Äste auf: Das ist der AC-Zeeman-Effekt. Bei einer kritischen Intensität verschwindet die Resonanz und das Vorzeichen der Stromänderung kehrt sich um (blau) – der Spin-Dicke Effekt tritt ein, bei dem sich alle Elektronen gleich verhalten. (Bild: D. Waters et al. / NPG)
Bestrahlt man eine OLED in einem Magnetfeld mit elektromagnetischen Radiowellen, so führt das bei einer bestimmten Magnetfeldstärke zu einer positiven Änderung des Stroms: eine Resonanz entsteht. Das ist das Grundprinzip der Magnetresonanz, das beispielsweise dem Kernspintomographen zugrunde liegt. Die Resonanzbedingung hängt dabei von der Frequenz der Radiowelle ab, und nicht von der Intensität der Strahlung. OLEDs eignen sich bestens, um solche Resonanzphänomene zu untersuchen. So konnten die Forscher nun erkunden, was passiert, wenn die Intensität der elektromagnetischen Strahlung derart erhöht wird, dass die Spins der Elektronen buchstäblich nicht mehr wissen, wo oben und unten ist. Zunächst spaltet sich die Resonanz in zwei Frequenzen auf: Das ist der AC-Zeeman-Effekt.
Bei einer kritischen Intensität allerdings fangen alle Spins an, sich gleichzeitig in dieselbe Richtung zu drehen, sie sind quasi geordnet: Die Elektronen tanzen Ringelreihen, was sich im Strom der OLED auswirkt und die Resonanz dramatisch verändert. Dieser Spin-Dicke-Effekt ist seit langem vorhergesagt und konnte nun erstmals in der OLED sichtbar gemacht werden. Mit dem experimentellen Zugang zu diesen beiden Quanten-Phänomenen erhoffen sich die Forscher die Entwicklung neuartiger hochempfindlicher Magnetfeldsensoren, die mit den Vorzügen der einfachen Verarbeitung von OLEDs aufwarten.
UR / RK
