Photonen "fliegen" in Spinrichtung, Elektronen nicht

08/11/2013 - 23:47 von Peter Prestige | Report spam
Der Spin-Hall-Effekt beruht darauf, dass für Teilchen mit Spin oder Eigendrehimpuls unter bestimmten Bedingungen die Flugbahn und die Orientierung des Spins miteinander gekoppelt sind. Wirkt auf das Teilchen eine Kraft, die es aus seiner ursprünglichen Bahn lenkt, so àndert sich meist auch die Orientierung des Spins. Wenn trotz Krafteinwirkung eine Komponente des Gesamtdrehimpulses erhalten bleibt, so muss sich mit dem Eigendrehimpuls auch der Bahndrehimpuls des Teilchens àndern. Das führt dazu, dass die Bahn des Teilchens davon abhàngt, wie sein Spin anfànglich ausgerichtet ist.

Sowohl Elektronen als auch Photonen haben Spin. Beim Photon kann der Spin parallel oder antiparallel zur Flugrichtung orientiert sein, wàhrend der Elektronenspin parallel oder antiparallel zu einer beliebig vorgegebenen Richtung ist. Die Abhàngigkeit der Bahn eines Elektrons von seiner Spinorientierung hatte man in früheren Experimenten ausgenutzt, um in einer Halbleiterschicht Elektronen mit nach oben zeigendem Spin von denen mit nach unten zeigendem Spin zu trennen. Dazu wurden die Elektronen durch eine elektrische Spannung in Bewegung gebracht und zusàtzlich einem elektrischen Feld ausgesetzt, das senkrecht zu den Elektronenbahnen stand. Die bewegten Elektronen verspürten daraufhin ein Magnetfeld, das sie je nach Spinorientierung in unterschiedliche Richtung ablenkte. Dieser Spin-Hall-Effekt àhnelt dem seit langem bekannten Hall-Effekt, bei dem ein Magnetfeld einen Ladungsstrom in negative Elektronen und positive „Löcher“ trennt. Mithilfe des Spin-Hall-Effekts könnte man den Spin der Elektronen für Berechnungen in einem Quantencomputer verfügbar machen, wàhrend herkömmliche Computer nur die Ladung der Elektronen nutzen.

In den letzten Jahren hatten japanische und israelisch-russische Physiker berechnet, dass auch für Lichtstrahlen der Spin-Hall-Effekt nachweisbar sein sollte. Dieser Nachweis ist jetzt gelungen, wie Onur Hosten und Paul Quiat in „Science“ berichten. Dazu haben sie einen Laserstrahl auf ein spezielles Glasprisma gerichtet und seine Ablenkung gemessen. Das Prisma war so konstruiert, dass der Strahl unter einem variablen Winkel in das Glas eindringen konnte, die Rückseite des Prismas jedoch stets in senkrechter Richtung verließ. Dadurch war sichergestellt, dass der Strahl nur beim Eintritt in das Prisma gebrochen wurde und der Spin-Hall-Effekt nur einmal auftreten konnte. Der aus dem Prisma kommende Strahl traf schließlich auf eine bewegliche Photodiode, die ihn registrierte.

Der Laserstrahl enthielt sowohl rechts als auch links polarisierte Photonen, deren Spin in Strahlrichtung bzw. entgegen gerichtet war. Mit der Photodiode konnten die Forscher feststellen, dass der gebrochene Strahl in die vom Brechungsgesetz vorhergesagte Richtung lief. Bei genauerer Untersuchung zeigte sich jedoch, dass der Strahl in zwei parallele Teilstrahlen aufgespalten worden war, die im Abstand von einigen Nanometern nebeneinander her liefen. Dabei enthielt der eine Teilstrahl nur rechts polarisierte Photonen, der andere nur links polarisierte. Das Glasprisma hatte den eindringenden Laserstrahl erwartungsgemàß zum Lot hin gebrochen. Doch aufgrund des Spin-Hall-Effekts wurden dabei die Photonen, je nach Polarisation, um einige Nanometer nach rechts oder links aus der Ebene herausgelenkt, die der einfallende und der gebrochene Strahl aufgespannten. Der Abstand der daraus resultierenden Teilstrahlen hing vom Einfallswinkel des Laserstrahls ab. Die gemessene Winkelabhàngigkeit stimmte hervorragend mit der Vorhersage der Theorie überein. Wie neue Berechnungen zeigen, sollten unterschiedlich polarisierte Photonen übrigens auch in einem Gravitationsfeld entlang unterschiedlicher Bahnen laufen.

Der optische Spin-Hall-Effekt ermöglicht es, auf neuartige Weise unterschiedlich polarisierte Photonen voneinander zu trennen. Ob daraus allerdings Konkurrenz für die heute benutzten Polarisationsstrahlteiler erwachsen wird, ist fraglich. Die hohe Pràzision, mit der die Forscher das Brechungsgesetz überprüft haben, eröffnet jedoch die Möglichkeit, den Brechungsindex eines Materials und seine Änderung im Nanometerbereich mit großer Genauigkeit zu messen.
 

Lesen sie die antworten

#1 Kurt
09/11/2013 - 08:36 | Warnen spam
Am 08.11.2013 23:47, schrieb Peter Prestige:
Der Spin-Hall-Effekt beruht darauf, dass für Teilchen mit Spin oder Eigendrehimpuls



Was ist Spin bzw. Eigendrehimpuls?
Dreht sich da was?
Wenn ja, was dreht sich?


Kurt

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