SpinSpinWechselwirkungen

Spin-Spin-Wechselwirkungen bezeichnen Kopplungen zwischen Spins verschiedener Teilchen, insbesondere Elektronenspins und Kernspins, in Atomen, Molekülen und Festkörpern. Sie beeinflussen Energieniveaus, Spektren und die Dynamik von Spin-Systemen und spielen eine zentrale Rolle in Physik, Chemie und Materialwissenschaften.

Die direkte magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkung entsteht durch die magnetischen Momente zweier Spins. Sie ist lange reichweitig, fällt mit der dritten Potenz des Abstands ab und hängt von der Orientierung der Spins ab. Sie führt zu Energieaufspaltungen und charakteristischen Splittings in Spektren.

Die Austauschwechselwirkung resultiert aus der Quantenmechanik der Fermionen. In der Heisenberg-Form wird sie als J S1·S2 beschrieben; das Vorzeichen von J bestimmt, ob die Kopplung ferromagnetisch oder antiferromagnetisch ist. Sie dominiert in Materialien mit signifikanter Elektronendichteüberlappung.

Indirekte Austauschwechselwirkungen, wie die RKKY-Kopplung, vermitteln Spins über mobile Elektronen in Metallen. Sie können über größere Abstände wirken und bilden die Grundlage vieler Phänomene in der Festkörperphysik, darunter Magnetismus in multilayer-Strukturen und Spintronik.

Im NMR-Spektrum treten Kernspin-Kopplungen, sogenannte J-Kopplungen, durch Bindungen hindurch auf. J-Kopplungen sind skalare Kopplungen, gemessen in Hertz, und liefern strukturelle Informationen. In Lösungen werden Dipol-Dipol-Wechselwirkungen durch schnelle Molekülbewegung weitgehend abgeschwächt, in Festkörperproben bleiben sie sichtbar.

Spin-Spin-Wechselwirkungen sind wesentlich für die Interpretation von Spektren, für Quanteninformationsanwendungen mit Spins als Qubits und für das Verständnis magnetischer Materialien. Sie unterscheiden sich von Spin-Spin-Fluktuationen, die zur Spin-Spin-Relaxation T2 beitragen.