01.08.2011

Ludwig-Maximilians-Universität München

Licht erhellt Phänomen der Vielteilchenphysik

Eines der meistdiskutierten Phänomene der Vielteilchenphysik ist der sogenannte Kondo-Effekt. Er beschreibt, wie das winzige Magnetfeld, das mit dem Spin eines einzelnen, lokalisierten Elektrons assoziiert ist, durch bewegliche Elektronen der Umgebung abgeschirmt wird. Eine Vielzahl von Studien im letzten Jahrzehnt untersuchten den Kondo-Effekt in sogenannten Quantenpunkten, also in nanoskalige Halbleiterstrukturen, in denen einzelne Elektronen eingefangen und manipuliert werden können. Diese Studien beschränkten sich jedoch bisher auf den Einfluss des Kondo-Effekts auf den elektronischen Widerstand eines Quantendots. Ein internationales Forscherteam, dem auch der LMU-Physiker Professor Jan von Delft angehört, untersuchte nun mithilfe resonanter Laserabsorption wie ein Kondo-korrelierter Quantenpunkt auf das plötzliche Ausschalten der für die Kondo-Korrelationen verantwortlichen Wechselwirkung reagiert. (Nature online, 30. Juni 2011)

Die aktuelle Studie eröffnet mittels optischer Messungen eine neue Perspektive. Sie zeigt, dass die den Kondo-Effekt erzeugende Wechselwirkung durch die Absorption eines einzelnen Photons ausgeschaltet werden kann, und liefert einen tiefen Einblick in den anschließenden Zerfall der Kondo-Korrelation. Der Beitrag der Münchner Physiker Markus Hanl, Andreas Weichselbaum und Jan von Delft, die auch dem Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) angehören, besteht in der theoretischen Modellierung des Experiments. Die Studie leitet eine neue Arbeitsrichtung ein, nämlich die Untersuchung von Vielteilchenphänomenen mittels quantenoptischer Methoden.

Das Experiment untersucht die Absorptionslinienform (die Absorptionsrate als Funktion der Frequenz) von Photonen, die von einem Quantendot absorbiert werden. Der Quantendot ist recht stark an die beweglichen Leitungselektronen der Umgebung angekoppelt und so eingestellt, dass ein einziges, im Dot lokalisiertes, Elektron die Absorptionseigenschaften dominiert. Vor Absorption eines Photons zeigt der Quantendot den Kondo-Effekt: Der Spin des lokalisierten Elektrons ist stark mit den Spins der beweglichen Leitungselektronen korreliert, die den lokalisierten Spin abschirmen und so dessen magnetisches Moment reduzieren. Bei der Absorption eines einfallenden Photons wird ein weiteres Elektron von einem tiefer liegenden Energieniveau in das Niveau des ersten Elektrons angeregt. Diese plötzliche Änderung stellt einen Quantenquench dar, der die Austauschwechselwirkung zwischen dem lokalen Elektron und den beweglichen Leitungselektronen ausschaltet. Als Konsequenz verschwinden Kondo-Korrelationen innerhalb einer kurzen Zeit nach dem Quench.

Der Endzustand der beweglichen Leitungselektronen unterscheidet sich somit stark vom Anfangszustand. Ein solcher Unterschied war bereits 1967 von P. W. Anderson beschrieben worden, der dafür den Begriff “Orthogonalitätskatastrophe” prägte. Anderson's Orthogonalitätskatastrophe hinterlässt subtile aber eindeutige Signaturen in der Absorptionslinienform, nämlich ein Potenzgesetzverhalten, dessen Exponent das Ausmaß der Orthogonalität charakterisiert. Im aktuellen Experiment gelang es erstmals, Signaturen dieses Potenzgesetzverhaltens in der gemessenen Linienform nachzuweisen; insbesondere konnte der entsprechende Exponent mittels eines angelegten Magnetfelds verändert werden, in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Rechnungen der Münchner Physiker. (NIM)

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