Zusammenfassung
Ein magnetisches Feld koppelt - zumindest in der nichtrelativistischen Quantenmechanik - auf zwei verschiedene Arten an Materie und geladene Teilchen (Elektronen) in der Materie, nämlich einmal - wie jedes elektromagnetische Feld - über die Minimal-Ankopplung (Standard-Ersetzung) und zum anderen an das mit dem Spin der Elektronen verbundene magnetische Moment. Es wird zunächst störungstheoretisch gezeigt, wie über diese Kopplungen Paramagnetismus und Diamagnetismus im Prinzip verstanden werden können. Dann wird das Modell lokalisierter magnetischer Momente im homogenen Magnetfeld behandelt, aus dem sich Paramagnetismus und das Curie-Gesetz für die statische magnetische Suszeptibilität ergeben. Für Leitungselektronen, die nur über ihren Spin an das Magnetfeld koppeln, ergibt sich der Pauli-Paramagnetismus, während die diamagnetische Kopplung (über die Standard-Ersetzung des Impuls-Operators) zum Landauschen Diamagnetismus führt. Auf der Landau-Quantisierung im starken Magnetfeld beruhen Effekte wie der De-Haas-van-Alphen-Effekt und der ganzzahlige und der fraktionale Quanten-Hall-Effekt, die kurz beschrieben und erklärt werden.
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Notes
- 1.
N. Bohr, *1885 in Kopenhagen, †1962 ebd., seit 1916 Professor in Kopenhagen, 1913 Bohrsches Atommodell, Erklärung des Periodensystems, 1927 mit Heisenberg Kopenhagener Deutung der Quantentheorie, ab 1935 Arbeiten zur Kernphysik, Nobelpreis 1922
- 2.
P. Zeeman, *1865, †1943, niederl. Physiker, Professor in Amsterdam, entdeckte 1896 an Na, Cd, Zn die Aufspaltung der Spektrallinien im Magnetfeld, Nobelpreis 1902 (mit seinem Lehrer H.A. Lorentz)
- 3.
benannt nach Pierre Curie, französischer Physiker, *1859 in Paris, †1906 ebd., seit 1883 Professor an der Pariser Ecole de Physique et Chimie, ab 1904 an der Sorbonne, seit 1895 verheiratet mit Marie Curie, Forschungsarbeiten über Radioaktivität und Kristallphysik, Nobelpreis 1903 (gemeinsam mit seiner Frau und H. Becquerel), entdeckte experimentell das Curie-Gesetz
- 4.
J.H. van Vleck, amerikanischer Physiker, *1899 in Middletown (Connecticut), †1980 in Boston, Professor an der Harvard University, formulierte die Quantentheorie des Magnetismus, Nobelpreis 1977
- 5.
W. Pauli, *1900 in Wien, \(\dagger\)1958 in Zürich, 1923 Hochschullehrer in Hamburg, postulierte 1924 Existenz des Spins und 1925 das nach ihm benannte Ausschlussprinzip, 1928 Professor an der ETH Zürich, postulierte 1931 Existenz des Neutrinos, Physik-Nobelpreis 1945
- 6.
L.D. Landau, *1908 in Baku (Aserbaidschan), \(\dagger\)1968 in Moskau, einer der bedeutendsten russischen Physiker, bahnbrechende Beiträge auf allen Gebieten der Theoretischen Physik, von der Theorie der Metalle über stellare Materie, kosmische Strahlung, Plasmaphysik, Kernphysik bis zur Hydrodynamik, zahlreiche Effekte und Theorien tragen seinen Namen (Landau-Diamagnetismus, Landau-Dämpfung in der Plasmaphysik, Landau-Schnitte in der Hochenergiephysik), Begründer einer berühmten Schule für Theoretische Physik in Moskau und Herausgeber des umfassenden Lehrbuch-Werkes, Physik-Nobelpreis 1962, auch dadurch bekannt geworden, dass er nach einem schweren Autounfall 1962 mehrfach aus klinisch totem Zustand wiederbelebt wurde, er erreichte aber danach seine Schaffenskraft nicht wieder
- 7.
J.W. de Haas, niederländischer Mathematiker und Physiker, *1878 in Lisse (Holland), †1960 in Bilthoven, Professor in Delft, Groningen und Leiden, Arbeiten über Molekularströme, Leitfähigkeiten von Metallen in Magnetfeldern; beobachtete 1930 mit P.M. van Alphen Oszillationen in der Magnetisierung von reinen Metallen bei sehr tiefen Temperaturen (Kühlung mit flüssigem He) bei Variation des Magnetfeldes
- 8.
K. von Klitzing, *1943 in Schroda (jetzt zu Polen gehörig), studierte Physik in Braunschweig und promovierte 1972 in Würzburg, entdeckte 1980 am Hochfeld-Magnetlabor in Grenoble den Quanten-Hall-Effekt, dafür Physik-Nobelpreis 1985, jetzt Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart
- 9.
Abbildung entnommen aus K. v. Klitzing, R. Gerhards, J. Weis: 25 Jahre Quanten-Hall-Effekt; Physik-Journal 4 (2005), Nr. 6, S. 37 ff; Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduktion mit Genehmigung. Originalkurve erschienen in: K.v.Klitzing, G. Dorda, M. Pepper, Phys. Rev. Letters 45, 494 (1980); Copyright American Physical Society (1980) (Reproduktion mit Genehmgung).
- 10.
Abbildung entnommen aus: M. A. Paalanen, D. C. Tsui, and A. C. Gossard, Quantized Hall effect at low temperatures, Phys. Rev. B 25, 5566 (1982), Copyright 1982, The American Physical Society (mit Genehmigung)
- 11.
D.C. Tsui, * 1939 in Henan (China), seit 1958 in den USA, Promotion 1967 in Chicago, 1968–1982 bei den Bell Labs in Murray Hill (New Jersey), seit 1982 Professor für Elektrotechnik in Princeton, Physik-Nobelpreis 1998 (gemeinsam mit Störmer und Laughlin für den FQHE)
- 12.
H.L. Störmer, * 1949 in Frankfurt, Physik-Studium in Frankfurt, Diplom 1974, Promotion 1977 in Stuttgart, danach Postdoc bei den Bell Labs in Murray Hill (New Jersey), seit 1992 Direktor des Physik-Labors, seit 1997 Professor an der Columbia University in New York, Physik-Nobelpreis 1998
- 13.
Abbildung entnommen aus der Original-Publikation: D. C. Tsui, H. L. Störmer, and A. C. Gossard, Two-Dimensional Magnetotransport in the Extreme Quantum Limit, Physical Review Letters 48, 1559 (1982), Copyright (1982) American Physical Society (Reproduktion mit Genehmigung)
- 14.
R.B. Laughlin, * 1950 in Visalia (Kalifornien), Physik-Studium an der University of California Berkeley, Promotion 1979 am Massachussetts Institute of Technology, 1979 - 1981 bei den Bell Labs tätig, seit 1985 Physik-Profesor an der Stanford University, Physik-Nobelpreis 1998 (mit Tsui und Störmer)
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Czycholl, G. (2017). Festkörper im äußeren Magnetfeld. In: Theoretische Festkörperphysik Band 2. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-53701-5_4
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