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News: Tunnelnde Neutronen im Magnetfeld

Wenn ein Neutron auf eine Wand auftrifft, kann es sich entweder innerhalb des Mediums weiter fortbewegen, oder es wird, sofern sein Impuls unter einem bestimmten kritischen Wert liegt, vollständig reflektiert. Doch ein Teil der Wellenfunktion des Neutrons dringt auch dann in das Material ein und wird dort anscheinend in zwei unterschiedliche Zustände aufgespalten, wenn das Medium magnetisiert ist.
Das haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Metallforschung in Stuttgart jetzt herausgefunden (Physical Review Letters vom 6. Juli 1998, Abstract).

In der Festkörperphysik werden sogenannte "thermische Neutronen", die nur wenig Energie besitzen, verwandt, um die strukturellen, magnetischen und dynamischen Eigenschaften kompakter Materialien zu erforschen. Die Wechselwirkung der Neutronen mit der Materie ist zweifach, da sie ein magnetisches Moment besitzen und sowohl nukleare als auch magnetische Potentiale wahrnehmen. Allerdings sind diese Wechselwirkungen eher klein, und die Materialtiefe, für welche Informationen in einem Streuexperiment erlangt werden können, liegt gewöhnlich im Zentimeterbereich.

Die Forscher des Max-Planck-Instituts versuchten, die Oberflächensensibiltät der Neutronen zu erhöhen, um die magnetischen Eigenschaften dünner Filme und Grenzschichten zu untersuchen. Sie nutzten den quantenmechanischen Tunneleffekt, um eine Zone des Materials von nur einigen Nanometern Dicke genauer zu betrachten. Auch wenn die Neutronen nicht als Teilchen in die Probe eintreten, dringen ihre Wellenfunktionen in das andere Medium ein, allerdings nehmen deren Amplituden exponentiell ab. Ihr Schicksal kann an den senkrecht zur Oberfläche liegenden Gitterebenen abgelesen werden.

Auf unerwartete Ergebnisse stieß man in einem Experiment am Forschungsreaktor des Institute Laue Langevin im französischen Grenoble. Ein nichtpolarisierter Neutronenstrahl wurde auf die Oberfläche eines dünnen Eisen-Films gelenkt. Immer wenn das Eisen magnetisiert war, spalteten sich die Wellenfunktionen der Neutronen innerhalb des Materials in zwei leicht verschiedene Energieniveaus auf – ein Phänomen, das bei Elektronen als Zeeman-Effekt bekannt ist. Diese Aufspaltung reagierte sehr empfindlich auf kleinste magnetische Streufelder, deren Abmessungen nur Nanometer betrugen. Sie stellt somit ein neues Instrument zur Untersuchung feinster magnetischer Ereignisse in dünnen magnetischen Filmen dar.

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