Spindichtewelle

Der Begriff Spindichtewelle beschreibt den Zustand der Leitungselektronen von manchen Metallen oder Supraleitern, bei denen die Dichte der Elektronenspins wellenförmig moduliert ist. Im Gegensatz zu Spinwellen (Magnonen) handelt es sich bei diesen Wellen um keine Anregungen, sondern um eine Eigenschaft des Grundzustandes des Systems.

Spindichtewellen sind ähnlich dem Grundzustand von Antiferromagneten, bei denen auch der Spin von Atom zu Atom unterschiedlich ist. Bei Antiferromagneten ist es meist so, dass der Spin der Atome abwechselnd aufwärts und abwärts gerichtet ist; dies könnte man als Spezialfall einer Spindichtewelle sehen, deren Wellenlänge doppelt so groß ist, wie der Abstand zwischen den Atomlagen; die Atome einer Lage sind an der Position des „Wellenbergs“ (maximaler Spin in eine Richtung), die Atome der nächsten Lage beim Wellental (maximaler Spin in Gegenrichtung). Bei Spindichtewellen ist die Wellenlänge im Allgemeinen inkommensurabel zum Atomgitter, also kein ganzzahliges oder rationales Vielfaches der Atom- oder Lagenabstände. Die Spins sind, wie auch in einfachen Antiferromagneten, nur entlang einer Achse ausgerichtet.

Spindichtewellen sind ähnlich zu Ladungsdichtewellen, beide resultieren aus einer Instabilität des Elektronengases, bei beiden wird die Wellenlänge durch die Fermifläche der Leitungselektronen bestimmt, und bei beiden ist die Wellenlänge im Allgemeinen inkommensurabel zum Gitter. Bei Werten des Elektronen-Impulses, die der Wellenlänge entsprechen, kommt es zu einer kleinen Bandlücke. Im Gegensatz zu Ladungsdichtewellen ist bei Spindichtewellen die gesamte Ladungsdichte konstant, die Änderung der Dichte der Elektronen mit den unterschiedlichen Spinrichtungen („Spin aufwärts“ und „Spin abwärts“) erfolgt also gegenläufig.

Spindichtewellen treten unter anderem beim Metall Chrom unterhalb der Neel-Temperatur von 311 Kelvin, bei vielen Chromlegierungen sowie beim Bechgaard-Salz (TMTSF)₂PF₆, einem organischen Leiter, unter 12 K auf (TMTSF steht für Tetramethyltetraselenofulvalen).

Auch bei Hochtemperatur-Supraleitern wurden Spindichtewellen beobachtet und es wurde spekuliert, ob Spindichtewellen für das Auftreten der Supraleitung in diesen Materialien verantwortlich sein können. Die Idee dahinter ist, dass eine bewegte Ladung die Spinorientierung der Atome im supraleitenden Zustand umkippen lässt. Auf seinem Weg durch den Festkörper erzeugt die Ladung also einen kurzfristigen Spinflip bei den benachbarten Atomen, der einen weiteren Ladungsträger anzieht. So würde die Kopplung der beiden Ladungsträger durch den Spinflip anstelle der Phononen vermittelt.

Literatur

• George Grüner: The dynamics of spin-density waves. In: Reviews of Modern Physics. Vol. 66, 1994, S. 1–24. Überblicksartikel mit Schwerpunkt Spindichtewellen in (TMTSF)₂PF₆. Abstrakt, kompletter Artikel für Abonnenten
• Eric Fawcett: Spin-density-wave antiferromagnetism in chromium. In: Reviews of Modern Physics. Vol. 60, 1988, S. 209–283. Abstrakt, kompletter Artikel für Abonnenten