Spinpolarisation

Elementarteilchen, viele Atomkerne sowie Atome mit bestimmten Elektronenkonfigurationen haben einen Spin (anschaulich: eine Drehung um die eigene Achse). Eine von der zufälligen Verteilung abweichende Ausrichtung der Spins in einem Ensemble von Teilchen wird Spinpolarisation genannt.

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Die Achsrichtung des Spins kann sich in einem gegebenen Magnetfeld nur in diskreten Richtungen ausrichten (Richtungsquantisierung). Bei vielen Elementarteilchen wie Elektron, Proton und Neutron sind nur genau zwei Richtungen möglich; Teilchen in diesen beiden verschiedenen Zuständen haben unterschiedliche Energien.

Durchfliegt ein Strahl aus Teilchen dieser zwei Zustände ein inhomogenes Magnetfeld, werden sie unterschiedlich abgelenkt. So können die verschieden ausgerichteten Teilchen getrennt werden, und man erhält zwei Teilmengen mit spinpolarisierten Teilchen. Diese Trennung wurde 1921 erstmals von Otto Stern und Walther Gerlach an Silberatomen durchgeführt (Stern-Gerlach-Versuch). Damit entdeckten sie die Richtungsquantisierung des Spins.

In nicht spinpolariserter Materie kann man die unterschiedliche Energie der Spinausrichungen bei Anwesenheit eines Magnetfeldes im Linienspektrum von Atomen (Zeeman-Effekt) beobachten. Hiermit wird in der Astronomie z. B. die Stärke von Magnetfeldern auf Sterne bestimmt.

Die beim Betazerfall emittierten Teilchen sind spinpolarisiert. Anschaulich gesagt rotieren z. B. die Elektronen aus Beta-Minus-Zerfällen, in ihrer Flugrichtung gesehen, vorzugsweise gegen den Uhrzeigersinn. Diese Entdeckung (siehe Parität (Physik)) war der erste Nachweis der Brechung einer fundamentalen Symmetrie in der Natur.

Anwendungen

Da der Spin mit einem magnetischen Moment verbunden ist, können spinpolarisierte Neutronen verwendet werden, um die magnetische Struktur von Festkörpern zu untersuchen.

In der Photoelektronenspektroskopie kann die Spinpolarisation der emittierten Elektronen Aufschluss über die magnetische Ausrichtung der Probe und die Polarisation der anregenden Strahlung geben.

In der Kernphysik helfen Streu- und Kernreaktionsexperimente mit spinpolarisierten Teilchen, um Einzelheiten bestimmter Zustände der Kerne zu erforschen, da die Wirkungsquerschnitte der Prozesse von der Spinausrichtung abhängen.