Der Begriff „Confinement“ besagt, dass bestimmte Teilchen nicht isoliert vorkommen. Ganz offensichtlich ist dieses Bauprinzip am Beispiel der Quarks zu erkennen, den Elementarteilchen, aus denen die Protonen und Neutronen bestehen. Ein internationales Wissenschaftlerteam hat nun in einem Experiment über das die Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichtet, nachgewiesen, dass das Prinzip des Confinement auch in kondensierter Materie, also in Feststoffen existiert.
Dem Confinement liegt die Theorie der starken Wechselwirkung zugrunde. Danach sind die Teilchen, zum Beispiel Quarks, durch eine Kraft aneinander gebunden, deren Stärke wächst, je weiter die Teilchen voneinander entfernt sind, also je mehr man versucht, sie zu trennen. Irgendwann wird die aufgewendete Energie so groß, dass sie zur Paarbildung ausreicht. Dabei entsteht ein Quark-Antiquark-Paar.
Spin-Leiter aus Kupferoxid-Molekülen
In den 1990er Jahren hat ein Team um Professor Alexei Tsvelik vom Brookhaven National Laboratory in den USA eine Theorie entwickelt, nach der ein analoger „Confinement Prozess“ auch in Festkörpern existieren müsste. Die Voraussetzungen dafür hat Tsvelik in so genannten Spin-Leitern gesehen. Professorin Bella Lake vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und ihre Kollegen haben diese Theorie nun erstmals im Experiment bestätigt.
In dem untersuchten Kristall besteht die Spin-Leiter aus Kupferoxid-Molekülen, die zu einer Kette aufgereiht sind. Aufgrund einer starken elektronischen Wechselwirkung bilden zwei solcher Ketten die „Beine“ der Leiter. Das Besondere an den einzelnen Ketten ist, dass sich die Elektronen im Zusammenspiel anders verhalten als einzelne Elektronen. Normalerweise zeichnen sich einzelne Elektronen jeweils durch ihre Elementarladung und ihren magnetischen Spin aus. In der Kette jedoch separieren sich die Eigenschaften Spin und Ladung voneinander.
Bildung von Spinon-Paaren
Lake und ihre Kollegen konnten mithilfe von Neutronenstreu-Experimenten nachweisen, was genau passiert: Sobald zwei Kupferoxid-Ketten eine Spin-Leiter bilden, rekombinieren die separierten Spin-Teile in neuartiger Weise. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die angeregten Spin-Ketten, so genannte Spinone, in ähnlicher Weise wie Quarks eingeschlossen und zusammengehalten werden“, erklärt die Forscherin. Auch hier wird – je mehr Energie man aufwendet – die zusammenhaltende Kraft immer stärker bis es schließlich zur Bildung von Spinon-Paaren kommt.
Professor Alan Tennant, Leiter des Instituts „Komplexe Magnetische Materialien“ am HZB, erläutert den Prozess: „Die Geometrie der Leiter spielt eine wesentliche Rolle: Spinone finden sich immer zu Paaren zusammen, und diese Paarbildung kostet Energie. Sobald sich also Spinone voneinander entfernen, steigt auch der Energiebetrag, der notwendig ist, um ein benachbartes Elektron zur Paarbildung anzuregen. Man kann sich das wie bei einem Gummiband vorstellen. Je weiter es auseinander geht, umso mehr Energie wird für den Zusammenhalt aufgewendet.“
Parallele zur Teilchenphysik
Lake betont die Parallele zur Teilchenphysik: „Diese starke Tendenz, die Spinone zur Paarbildung haben, ist vergleichbar mit den Kräften, die die Quarks zusammenhalten, sodass sie subatomare Teilchen – zum Beispiel Hadronen (zu denen die Protonen und Neutronen gehören) – bilden können.“
Und Alexei Tsvelik, der die Theorie entwickelt hat, sagt zur Bedeutung des experimentellen Nachweises: „Wie Hadronen gebildet werden, können wir qualitativ sehr gut beschreiben. Jedoch sind viele quantitative Aspekte bis heute nicht verstanden. Zum Beispiel können wir theoretische Parameter nicht in Einklang bringen zu der im Experiment nachgewiesenen Masse von Hadronen. Dies ist einer der Gründe, warum Analogien zu Berechnungen und Experimenten in kondensierter Materie wichtig sind. Sie könnten Beispiele sein, anhand derer wir das Prinzip des Confinement besser beschreiben könnten.“
Erfolgreiche Kooperation
Die Neutronen-Experimente haben die Wissenschaftler an magnetischen Kalzium-Kuprat-Kristallen durchgeführt, einer Kupferoxid-Verbindung. Sie wurde im Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden synthetisiert. Die Spin- und Kristallstruktur wurde aus Neutronendaten aufgeklärt, die am Instrument E5 des Forschungsreaktors BER II in Berlin gemessen wurden. Für weitere Neutronen-Experimente wurde eine spezielle Technik zur Untersuchung magnetischer Dynamiken benötigt, die am Rutherford Appleton Laboratory, Großbritannien, mit seiner gepulsten Neutronenquelle, ISIS, zur Verfügung stand.
(idw – Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, 01.12.2009 – DLO)
