Die Aufklärung der Spinrichtung von Elektronen auf Goldoberflächen
Gold ist ein einzigartiges Metall, das nicht nur durch seinen Glanz, sondern auch durch seine chemische Beständigkeit und seine einzigartigen physikalischen Eigenschaften besticht. Auf der Oberfläche von Gold existieren besondere Elektronen, die nicht in das normale Atomgitter des Metalls eingebunden sind, sondern eine eigene Schicht bilden, die eigenen Gesetzen folgt. Diese sogenannten Shockley-Zustände erzeugen ein senkrecht auf der Goldoberfläche stehendes elektrisches Feld, das die Spinrichtung der oberflächennahen Goldelektronen beeinflusst.
Durch den Rashba-Effekt bilden die Spins der Goldelektronen Ringe auf der Oberfläche des Metalls. Jeder dieser Ringe besteht aus zwei Bahnen – einem Außenkreis und einem Innenkreis. Die Richtung der Spins in diesen Ringen war lange Zeit umstritten. Einige Analysen deuteten darauf hin, dass die Spins im Außenkreis im Uhrzeigersinn zeigen, im Innenkreis dagegen in die entgegengesetzte Richtung. Andere Experimente ergaben jedoch das Umgekehrte.
Die neue Messmethode
Jetzt haben Wissenschaftler um Fumihiko Matsui vom Institut für Molekularforschung in Japan mit einer neuen Messmethode diese Frage geklärt. Sie nutzten eine besondere Variante des Photoelektronen-Impuls-Mikroskops (PMM), das Elektronen aus der Goldoberfläche herausschlägt und deren Energie und Impuls misst. Um die ursprüngliche Spinrichtung der Goldelektronen zu ermitteln, kombinierten die Physiker dies mit einem sogenannten Spin-Rotator, der jeweils nur für Elektronen bestimmter Spinrichtungen sensibel ist.
Die Ergebnisse der Studie
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die Spins im äußeren Elektronenband des Doppelrings im Uhrzeigersinn zeigen, während die inneren Spins gegen den Uhrzeigersinn zeigen. Diese Entdeckung bestätigt, dass die Elektronen an der Goldoberfläche dem Rashba-Effekt unterliegen. Die Messungen lieferten auch Informationen darüber, welche Elektronenorbitale für diese exotischen Oberflächenzustände verantwortlich sind und wie sie auf Anregung durch polarisiertes Licht reagieren.
Bedeutung der Entdeckung
Die Entdeckung der Spinrichtung der Elektronen auf Goldoberflächen ist von großer Bedeutung für die Materialforschung und die Entwicklung neuer Technologien. Die von den Physikern genutzte Methode kann nun dafür genutzt werden, die Spinmuster anderer Materialien zu kartieren. Das könnte auch dazu beitragen, die Spintronik voranzubringen, ein Bereich der Technik, der sich mit der Nutzung des Spins von Elektronen für die Informationsverarbeitung beschäftigt.
