spinorbitkoppling

Spin-Orbitkopplung ist ein relevanter relativistischer Kopplungsterm in der Quantenmechanik, der den intrinsischen Spin eines Elektrons mit seinem orbitalen Drehimpuls L verbindet. Sie entsteht, wenn ein Elektron in einem elektrischen Feld, etwa dem Coulomb-Feld des Atomkerns, bewegt wird und aus der Perspektive des Elektrons ein magnetisches Feld erfährt. In der nichtrelativistischen Schrödinger-Gleichung führt dies zum Kopplungsterm H_so = (1/2m^2c^2) (1/r dV/dr) L·S, wobei S den Spin und L den Bahndrehimpuls bezeichnet. Diese Formulierung zeigt, dass die Kopplung stärker wird, je stärker das zentrale Feld variiert und je größer die Kernladung Z ist.

In der Atomphysik führt Spin-Orbitkopplung zur Feinstruktur der Spektrallinien. Der Effekt ist besonders ausgeprägt in schweren Elementen, wo die nukleare Feldstärke größer ist. Im Bereich der Festkörperphysik beeinflusst SOC die Bandstruktur erheblich: Es kann die Spin-Degeneration aufheben, insbesondere in Systemen mit gebrochener Inversion oder spezieller Kristallstruktur. Typische Manifestationen sind Rashba- und Dresselhaus-Effekte, spin-orbitale Splittings in Bändern, Spin-Texturen im k-Raum sowie Phänomene wie der Spin-Hall-Effekt und die Topologische-Isolator-Physik.

Experimentell wird Spin-Orbitkopplung durch Spektroskopie,, insbesondere durch Winkelaufgelöste Photoemission (ARPES), magnetische Messungen und Spektroskopie untersucht. Theoretisch wird SOC in Abhandlungen zur festen Materie durch relativistische Erweiterungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) oder durch vollständige Dirac-Gleichungsbehandlung beschrieben, oft mithilfe von Pseudopotentialen oder effektiven Kopplungsparametern ξ(r).

Anwendungen finden sich vor allem in der Spintronik, der Materialdesign für magnetische Eigenschaften und in der Erforschung neuer Quellmaterialien für topologische Phänomene.