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entdeckt_02_2014

entdeckt 02.14 TITEL WWW.HZDR.DE Elektrische Ladungen in Bewegung Wie Magnetismus entstehen kann und wie er mit elektrischen Strömen zusammenhängt, ist seit beinahe zwei Jahrhunderten bekannt: Bewegen sich elektrische Ladungen, erzeugen sie ein Magnetfeld, das seinerseits die elektrischen Ladungen beeinflusst. Als vor allem im 20. Jahrhundert Physiker den Aufbau von Atomen und deren Zusammenhalt aufgeschlüsselt haben, zeigte sich auch dort die wichtige Rolle dieses Elektro- magnetismus. Atome sind nichts anderes als elektrisch positiv geladene Kerne, um die in relativ großer Entfernung die viel kleineren und elektrisch negativ geladenen Elektronen sausen. Den Magnetismus eines solchen Elektrons kann man sich wiederum als winzigen Stromkreis veranschaulichen, den Phy- siker „Spin“ nennen. Für einen solchen Kreisverkehr gibt es genau zwei Möglichkeiten, entweder rechtsherum im Uhrzei- gersinn oder in die entgegengesetzte Richtung, also links- herum. In ihrer Formelsprache stellen Physiker diese beiden Richtungen als Pfeil dar, der entweder nach oben oder nach unten zeigt. Oft tun sich in der Natur zwei entgegengerichtete Spins zu Paaren zusammen. Frustration Sehr oft passiert das innerhalb eines Atoms. Allerdings ist das nicht immer möglich. Besitzt ein Atom zum Beispiel eine Hülle aus einer ungeraden Anzahl von Elektronen, bleibt zwangs- läufig eines übrig, das keinen Partner gefunden hat. Vielleicht kann man ja seinen eigenen Spin ohne Partner bei einem benachbarten Atom ausgleichen, das ebenfalls einen solchen partnerlosen Spin hat? So können in einer langen Kette aus Atomen die Spins zum Beispiel abwechselnd nach oben und nach unten gerichtet sein. Damit ist das Problem nur in einer Raumdimension gelöst. In der dreidimensionalen Welt hin- gegen liegen in der Nachbarschaft neben dieser Kette, aber auch ober- und unterhalb oder schräg darüber und darunter noch mehr Ketten. Dahinter gibt es weitere Atom-Reihen und rasch wird klar, dass die Atome in bestimmten Anordnungen kaum eine Position finden können, in der alle Nachbarn einen Spin in der entgegengesetzten Richtung wie der eigene haben. Das häufige Grundbedürfnis, einen anderen Spin als jeder Nachbar zu haben, lässt sich also kaum erfüllen – genau wie bei Menschen sind auch die betroffenen Atome frustriert. „Diese Frustration entsteht bereits in einem Dreieck mit einem Spin an jeder Ecke“, nennt Joachim Wosnitza ein einfaches Beispiel. Zeigt der Spin an der oberen Spitze nach unten, sollte der Spin an der Ecke links unten also nach oben zeigen, um die Balance zu wahren. Was aber macht der Spin rechts unten in dieser Situation? Zeigt er nach oben, klappt es hervorragend mit dem Spin oben, allerdings überhaupt nicht mit dem Nachbarn zur Linken. Bildet er dagegen mit diesem linken Nachbarn ein Paar, kommt er mit dem Kollegen an der Spitze oben in Schwierigkeiten. Das ist eine typische Situation für Frustration. „Wir fragen uns nun, ob die Frustration der Atome so groß ist, dass die Spins selbst bei tiefsten Tempera- turen keine neue Ordnung ausbilden und so neuartige Phä- nomene auftreten“, erklärt Joachim Wosnitza. FRUSTRIERT: Die Spins von Elektronen – hier dargestellt durch Kompassnadeln – streben oft danach, sich entgegengesetzt zum Nachbarspin auszurichten. Für bestimmte Spin-Anordnungen ist dies nicht immer möglich, sodass es zu frustrierten Zuständen kommt.

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