Physiker spalten Elektron in zwei Quasiteilchen

Villigen (Schweiz)/Berlin – Mit einem ausgeklügelten Experiment schafften es Physiker, ein Elektron in zwei sogenannte Quasiteilchen aufzuspalten. Diese speziellen Partikel, Spinon und Orbiton genannt, erzeugten sie in einer filigranen Kristallstruktur aus Strontiumkupferoxid. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature“ berichten, könnten ihre Versuche zu besseren Erklärungen des Verhaltens von Elektronen in Hochtemperatursupraleitern führen.

Als Elementarteilchen bleibt das Elektron aber weiterhin unteilbar. Denn die neuen Quasiteilchen beziehen sich nur auf unterschiedliche Quantenzustände des Elektrons. So trägt das Spinon allein den Spin des Elektrons und das Orbiton das orbitale Moment, das die Bewegung eines Elektrons um einen Atomkern beschreibt. Zusätzlich zu den beiden nun erzeugten Quasiteilchen gibt es noch ein drittes: Dieses sogenannte Holon gilt als Träger der elektrischen Ladung.

Um das Elektron in die Quasiteilchen aufspalten zu können, lenkten Justine Schlappa und ihre Kollegen am Schweizer Paul Scherrer Institut (PSI) Röntgenstrahlung aus einer Synchrotronquelle auf einen Kristall aus Strontiumkupferoxid. In dem Kristall bildeten die Kupferoxid-Einheiten eine eindimensionale Struktur. In dieser Struktur können sich Elektronen und Quasiteilchen nur entlang einer Linie hin und her bewegen. Nach der Röntgenanregung ließen sich nun Spinon und Orbiton getrennt voneinander nachweisen. „Für die Experimente benötigten wir nicht nur Röntgenlicht mit sehr hoher Intensität und äußerst genau bestimmter Energie, um die gewünschte Wirkung auf die Kupferatome zu erzielen“, erklärt Thorsten Schmitt, Leiter der Arbeitsgruppe, „sondern auch extrem präzise Röntgendetektoren.“

In Zusammenarbeit mit Physikern am Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin und vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden werden die neuen Messungen zu den Quasiteilchen nun ausgewertet. So könnte die beobachtete Aufspaltung der Elektronen wichtige Erkenntnisse für die Hochtemperatur-Supraleitung liefern. Denn die Elektronen verhalten sich in Strontiumkupferoxid ähnlich wie in Supraleitern auf Kupferbasis.