Christoph Meier

Man kann einen Handschuh drehen und wenden, wie man will, er passt jeweils nur auf eine Hand. Der Grund dafür liegt in seiner Chiralität. Chirale Objekte zeichnen sich nämlich dadurch aus, dass ihr Spiegelbild nicht deckungsgleich mit dem ursprünglichen Objekt ist. Neben unseren Händen und Handschuhen gibt es aber in der Natur noch viele weitere Beispiele für chirale Objekte: Schneckenhäuser, DNA und sogar Elementarteilchen wie Neutrinos.

Wenn aber dieses Strukturprinzip auf den verschiedensten Skalen vorkommt, stellt sich die Frage, ob die Chiralität nicht ein fundamentales Ordnungsprinzip darstellt? Könnte es vielleicht sein, dass chirale Strukturen den schwierig zu erklärenden Eigenschaften, wie man sie in Hochtemperatur-Supraleitern antrifft, zugrunde liegen?

Der ETH-Physiker Hans-Benjamin Braun und Kollegen haben mit einer neuen Studie, die in der Dezemberausgabe von Nature Physics publiziert wurde (1), neues Licht auf diese Fragen geworfen. Das Team, das neben Schweizern auch Forscher aus Frankreich, Deutschland und England umfasst, studierte dafür als Modellsystem CsCoBr3-Kristalle.

In diesem magnetischen Salz sind die Elektronenspins der Kobaltionen in einer Richtung stark gekoppelt und bilden eine Spinkette. Entlang der Kette zeigen benachbarte Spins abwechselnd aufwärts oder nach unten, was typisch für einen Antiferromagneten ist. Üblicherweise besteht die einfachste, elementare Anregung eines Antiferromagneten im Wesentlichen aus dem Umklappen eines einzelnen Spin, einem sogenannten Magnon.

Vetrackte elementare Anregungen

In den nun von den Forschern untersuchten Spinketten ist ein solches Magnon nicht stabil. Es gliedert sich in zwei sogenannte Solitonen auf, die den Übergängen unterschiedlicher antiferromagnetischer Ordnung entsprechen (gelb und rot im Hintergrund des Bildes oben rechts). Denn so wie es zwei Möglichkeiten gibt, ein Schachbrett einzufärben, gibt es auch in einem Antiferromagneten zwei Möglichkeiten antiferromagnetischer Ordnung, die durch eine Rotation der Spins um 180 Grad auseinander hervorgehen. Da jedoch Spins Quantenobjekte sind, bewegen sich die Solitonen als Folge von Quantenfluktuationen.

Braun und Mitarbeiter konnten nun zum ersten Mal zeigen, dass dabei eine erstaunliche Metamorphose stattfindet: Während die antiferromagnetische Ordnung verschwindet, erhalten die Solitonen eine Chiralität oder Händigkeit. Bildlich bedeutet das, dass der Übergang zwischen den beiden antiferromagnetischen Zuständen nicht abrupt geschieht, sondern sich im untersuchten Salz fliessend über viele Kobaltatome hinweg erstreckt.

So knapp diese Erkenntnis zusammengefasst werden kann, soll sie doch nicht über die Schwierigkeiten hinwegtäuschen, die für den Nachweis der Chiralität überwunden werden mussten. Komplexe theoretische Vorhersagen sowie eine mühsame Identifizierung geeigneter experimenteller Methoden waren nötig. Denn so wie eine Lösung, die linkshändige und rechtshändige Moleküle in gleichen Massen enthält, optisch inaktiv ist, so verbirgt der Quantenzustand des ganzen Antiferromagneten in gleichen Massen links und rechtshändige Solitonen - die Chiralität ist „versteckt”. Man muss also eine Sortiermethode für die verschiedenen „Quantenhandschuhe“ finden. Das ist aber noch nicht alles: Zusätzlich braucht es noch eine experimentelle Methode, die es ermöglicht, die magnetische Spinanordnung auf atomarer Skala nachzuweisen.

Einmal rundherum krabbeln genügt für eine Ameise nicht, um am selben Ort des Möbiusbandes zu sein. Entsprechend muss auch der Quantenspin des Elektrons zweimal rotiert werden, bis er wieder in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Dieser Effekt führt zu Chiralität in Quantenspinsystemen, wie ein ETH Forscher herausfand. gross

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