Forscher haben erstmals direkt die Geschwindigkeit von Elektronen beim Stromfluss durch einen Kristall gemessen. Das gelang durch die gezielte Ausrichtung der Elektronenspins mit der von Tomographen bekannten Kernspinresonanz-Technik. In ihrer Studie konnten die Forscher das bekannte Ohmsche Gesetz der Stromleitung für einzelne Elektronen erfolgreich auf die Probe stellen.
Noam Kaplan von der Hebrew University in Jerusalem und seine Kollegen aus Karlsruhe legten in ihrem Experiment ein inhomogenes Magnetfeld an einen leitfähigen Kristall an. Mittels eines kurzen Mikrowellenpulses wurden nun die Spins der in dem Kristall vorhandenen Leitungselektronen zur Präzession um die Linien des magnetischen Feldes angeregt ? ihr magnetisches Moment führte somit den von rotierenden Kreiseln bekannten Bewegungsvorgang aus. Dies regte jedes einzelne Elektron zur Austrahlung von Radiowellen an.
Da Elektronen an verschiedenen Orten des Kristalls nun allerdings ein unterschiedlich starkes Magnetfeld verspürten, kamen die Bewegungen der Elektronenspins des Kristalls schon nach Sekundenbruchteilen außer Takt, so dass nun Radiowellen mit unterschiedlichen Frequenzen ausgestrahlt wurden. Mittels eines genau abgestimmten weiteren Mikrowellenpulses gelang es allerdings, alle Elektronen wieder im Gleichschritt marschieren zu lassen.
Diese Synchronisierung der von den Elektronen ausgestrahlten Radiowellen gelang nun allerdings nicht, wenn an den Kristall zusätzlich eine elektrische Spannung angelegt wurde, so dass ein Strom zu fließen begann. Da die Elektronen nun durch den Kristall flossen, verspürten sie zum Zeitpunkt der beiden Mikrowellenpulse nun nicht mehr gleich starke Magnetfelder ? schließlich hatten sie ihre Positionen in der Zwischenzeit geändert.
Kaplans Team konnte somit durch eine Analyse des Frequenzspektrums der Radiowellen die Geschwindigkeit der Elektronen bestimmen. Die Ergebnisse der Studie sind im Einklang mit dem aus der Schulphysik bekannten Ohmschen Gesetz, wonach für einen Leiter Strom und Spannung zueinander proportional sind.
Physical Review Letters (Band 96 Artikel 037601) Stefan Maier
