Erste direkte Aufnahmen von Landau-Niveaus

Experimentell gemessenes Landau-Niveau 1 (links) und numerisch simuliertes Landau-Niveau 1 (rechts). (Image courtesy of University of Warwick)
Experimentell gemessenes Landau-Niveau 1 (links) und numerisch simuliertes Landau-Niveau 1 (rechts). (Image courtesy of University of Warwick)

Physiker haben erstmals seit ihrer theoretischen Vorhersage durch den Nobelpreisträger Lev Landau im Jahre 1930 so genannte Landau-Niveaus direkt abgebildet – das sind die Quantenniveaus, die das Verhalten von Elektronen in starken Magnetfeldern bestimmen.

Unter Verwendung der Rastertunnelspektroskopie (eine räumlich aufgelöste Sonde, die direkt mit den Elektronen interagiert) haben Wissenschaftler verschiedener Einrichtungen die ringartige Struktur dieser Landau-Niveaus auf der Oberfläche eines Halbleiters aufgedeckt. Zu den beteiligten Institutionen gehören auch die University of Warwick und die Tohoku University.

Die experimentelle Herausforderung der Arbeit war es, eine genügend große Auflösung zu bekommen, um die innere Unordnung in dem Material zu überwinden, die sonst nur die Beobachtung verwischter “Drift”-Zustände erlaubt.

Die Bilder zeigen deutlich, dass Landau recht hatte, als er vorhersagte, dass die Elektronen in einem sauberen System die Form konzentrischer Ringe annehmen würden, deren Anzahl mit ihren Energiezuständen ansteigt. Dieses einfache Zählverhalten bildet die Basis des so genannten Quanten-Hall-Effekts.

Obwohl ursprünglich größtenteils von grundlegendem Interesse, wurde der Effekt in den letzten Jahren verwendet, um den Standard für den elektrischen Widerstand zu definieren und könnte bald benutzt werden, um auch das Kilogramm zu definieren.

Professor Rudolf Roemer vom Department of Physics an der University of Warwick sagte: “Dies ist ein aufregender Schritt für uns; wir sehen erstmals tatsächlich individuelle, quantenmechanische Wellenfunktionen in realen Materialien. Oberflächlich betrachtet scheint dies weit vom Alltagsleben entfernt zu sein.”

“Allerdings wird die Frage, was ein Kilogramm definiert, derzeit diskutiert, wobei der Abstand zwischen den Ringen dieser Landau-Niveaus als eine Art Marker für ein universelles Gewicht agiert. Also wenn Sie das nächste Mal Zucker auswiegen, um einen Kuchen zu backen, könnten sie Gebrauch von diesen Quantenringen machen, ohne es zu wissen”, ergänzte er.

Die Forschungsarbeit wurde im Journal Physical Review Letters veröffentlicht.

Quelle: http://www2.warwick.ac.uk/newsandevents/pressreleases/first_images_of/

(THK)

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