a. Was sind Spin Wellen?
Um diese Frage zu beantworten muss man zunächst klären was der Spin überhaupt ist. Der Spin ist eine eigenartige Eigenschaft des Elektrons. Jedes Elektron hat den Spin 1/2. Man kann ihn sich, vereinfacht, als eine Rotation des Elektrons um seine eigene Achse, vorstellen. Man muss allerdings immer im Hinterkopf behalten dass das nur eine Vorstellung und keinen Tatsache ist. Denn um den Spin zu erhalten, den das Elektron nunmal hat, müsste es schneller als mit Lichtgeschwindigkeit rotieren. Und das ist, höchstwahrscheinlich, nicht möglich. Darüber hinaus scheint das Elektron keine innere Struktur zu haben, es hat also, streng genommen, keinen Radius sondern ist ein tatsächliches Punktteilchen.
Aus der Magnetostatik weiß man, dass eine, sich bewegende, elektrische Ladung, ein magnetisches Moment erzeugt. Zum Beispiel erzeugt eine stromdurchflossene Spule einen magnetischen Dipol. Da das Elektron einen negative Ladung hat, rotiert diese Ladung aufgrund des Spins um die Rotationsachse des Elektrons. Dadurch wird ein magnetisches Moment erzeugt, das parallel zur Rotationsachse verläuft. Ähnlich wie die Erde erzeugt also ein Elektron ein magnetisches Dipolfeld. Man kann sich dieses Moment so vorstellen als hätte jedes Elektron einen kleinen Stabmagneten in seiner Rotationsachse. Da es aufwändig wäre jedes mal einen Stabmagneten zu zeichnen, wird er meist durch einen Pfeil ersetzt, der vom Nord- zum Südpol zeigt.
In Kristallen sind Atome auf einem periodischen Gitter angeordnet. In manchen Atomen kompensieren sich die Spins der Elektronen gegenseitig. Weisen diese Atome auch kein magnetisches Moment, aufgrund der Rotation der Elektronen um den Kern, auf, so ist der Kristall diamagnetisch und besitzen kein magnetisches Moment. Aber es gibt auch Atome bei denen lediglich ein Elektronenspin nicht kompensiert ist. Betrachtet man nun das magnetische Moment diese Atoms, so wird es nur durch den Spin dieses einen Elektrons erzeugt. Also verhalten sich dieses Atome in einem magnetischen Feld, bis auf die Masse, wie ein Elektron. Bilden diese Atome einen Kristall, erhält man periodisch angeordnete magnetische Momente die durch Spins hervorgerufen werden.
In einem Paramagneten sind die magnetischen Momente der einzelnen Atome willkürlich im Raum orientiert. In einem Ferromagneten sind sie, innerhalb einer magnetischen Domäne, parallel zueinander ausgerichtet, solange seine Temperatur nicht höher ist als die Curie Temperatur. Wird ein Ferromagnet in einem starken magnetischen Feld plaziert, so richten sich die einzelnen magnetischen Domänen parallel zu diesem externen Feld aus. Kippt man einen dieser Spins nun aus seiner Gleichgewichtslage heraus, bemerken die ihn umgebenden Spins das. Denn an jedes magnetische Moment ist ein magnetisches Feld gekoppelt. Bewegt sich das magnetische Moment, so bewegt sich auch das, von ihm erzeugte, magnetische Feld. Darauf reagieren die umliegenden magnetischen Momente, sie werden dadurch ebenfalls ausgelenkt. Somit pflanzt sich in dem Kristall eine Magnetisierungswelle fort. Da die magnetischen Momente vom Elektronen Spin herrühren, nennt man diese Welle auch Spin Welle.
Diese verkippten Spins kehren jedoch nicht sofort in die Gleichgewichtslage zurück, sondern präzidieren um die Richtung des externen magnetischen Feldes herum. Die Frequenz dieser Präzession ist eine wichtige Eigenschaft von Spin Wellen. Die Präzession hält nicht ewig an. Nach einer gewissen Zeit, kehren die Spins wieder in ihre Gleichgewichtslage zurück. Allerdings kann die Energie die in der Präzesion steckte nicht einfach verschwinden da dies gegen die Energierhaltung verstoßen würde. Stattdessen muss sie abgegeben werden. Entweder durch Emission eines Photons, oder indem die Energie an das Atom weitergegeben wird. Dieses fängt daraufhin an, auf seinem Gitterplatz zu vibrieren. Diese Vibration kann als Wärme wahrgenommen werden. Da letzterer Prozess am wahrscheinlichsten ist kann man, verallgemeinert, sagen, dass Spin Wellen früher oder später in Wärme zerfallen.
Im letzten Abschnitt wurde schon erwähnt, dass eine Spin Welle, im Rahmen des Welle Teilchen Dualismus, auch als Teilchen aufgefasst werden kann. Darum beschäftigt sich der nächste Abschnitt mit der Frage: