1D-Strukturen aus Phosphorketten
ARPES-Messungen an BESSY II zeigen Halbleiter-Metall-Übergang bei zunehmender Dichte der Ketten nebeneinander.
Erstmals ist es einem Team an BESSY II gelungen, eindimensionale elektronische Eigenschaften in einem Material experimentell nachzuweisen. Die Proben bestanden aus kurzen Ketten aus Phosphoratomen, die sich auf einem Silbersubstrat selbst organisiert in bestimmten Winkeln bilden. Durch eine raffinierte Auswertung gelang es, die Beiträge von unterschiedlich ausgerichteten Ketten voneinander zu trennen und zu zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften tatsächlich einen eindimensionalen Charakter besitzen. Berechnungen zeigten darüber hinaus, dass ein spannender Phasenübergang zu erwarten ist. Während das Material aus einzelnen Ketten halbleitend ist, wäre eine sehr dichte Kettenstruktur metallisch.
Die materielle Welt besteht überwiegend aus Atomen, die sich dreidimensional anordnen. Aber es geht auch anders: So können Kohlenstoffatome Graphen bilden, ein hexagonales Netz, in dem sie nur in einer Ebene untereinander verbunden sind. Auch Phosphor kann sich zweidimensional vernetzen und eine stabile 2D-Form bilden. Solche zweidimensionalen Materialien sind ein spannendes Forschungsgebiet, weil sie erstaunliche elektronische und optische Eigenschaften besitzen. Theoretische Betrachtungen zeigen, dass die elektro-optischen Eigenschaften von eindimensionalen Strukturen noch exotischer sein könnten.
2D-Halbleiter aus Phosphor
Kondo-Effekt direkt gemessen
Erstmals vermessen und kartiert: blauer Phosphor
Eine anorganische Doppelhelix
Gefangen im Quantenkäfig
Tatsächlich gelingt es auch seit kurzem, eindimensionale Strukturen herzustellen. Unter bestimmten Bedingungen klappt es zum Beispiel, dass Phosphoratome sich wie von selbst zu kurzen Linien auf einem Silbersubstrat anordnen. Morphologisch sind diese Ketten eindimensional. Allerdings muss man annehmen, dass sie seitlich mit anderen Ketten wechselwirken. Solche Wechselwirkungen beeinflussen die elektronische Struktur und könnten die Eindimensionalität zerstören. Bislang war es jedoch nicht möglich, dies sauber experimentell zu messen.
„Wir haben nun mit einer sehr gründlichen Auswertung von Messungen an BESSY II gezeigt, dass solche Phosphorketten wirklich eine eindimensionale elektronische Struktur besitzen“, sagt Oliver Rader, der am HZB die Abteilung für Spin und Topologie in Quantenmaterialien leitet.
Andrei Varykhalov hat mit seinem Team zunächst am Kryo-Rastertunnelmikroskop Phosphorketten auf Silber hergestellt und charakterisiert. Die Bilder zeigen, dass sich kurze P-Ketten in drei unterschiedlichen Richtungen auf dem Substrat bilden, die untereinander 120-Grad Winkel haben.
„Wir haben dabei sehr hochwertige Ergebnisse erzielt, so konnten wir am Rastertunnelmikroskop stehende Wellen von Elektronen beobachten, die sich entlang der Ketten bilden“, sagt Varykhalov. Die elektronische Struktur untersuchten sie mit einer Methode, mit der das Team bereits sehr viel Erfahrung hat: die winkelaufgelöste Photoelektronenemissionsspektroskopie (Angle-resolved photoelectron Spectroscopy, ARPES) an BESSY II.
Hier leisteten Maxim Krivenkov und Maryam Sajedi Pionierarbeit: Durch die sorgfältige Analyse der Daten gelang es ihnen, die Beiträge von den drei unterschiedlich ausgerichteten Phosphorketten voneinander zu trennen. „Wir konnten die ARPES-Signale aus diesen Domänen entwirren und damit zeigen, dass solche 1D-Phosphorketten tatsächlich eine sehr klare 1D-Elektronenstruktur aufweisen“, sagt Krivenkov. Berechnungen mit der Dichtefunktionaltheorie bestätigen diese Analyse und treffen eine spannende Prognose: Je dichter diese Ketten aneinander liegen, desto stärker wechselwirken sie. Die Berechnungen sagen bei zunehmender Dichte des Kettenarrays einen Phasenübergang von Halbleiter zu Metall voraus, sodass eine zweidimensionale Phosphorketten-Struktur metallisch wäre.
„Wir haben hier ein neues Forschungsfeld betreten, ein Neuland, in dem vermutlich noch viele aufregende Entdeckungen möglich sind“, sagt Varykhalov. [HZB / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
M. Krivenkov et al., Revealing the one-dimensional nature of electronic states in phosphorene chains, Small Struct., e202500458, 17. Oktober 2025; DOI: 10.1002/sstr.202500458 - Abteilung Spin und Topologie in Quantenmaterialien (Oliver Rader), Quanten- und Funktionale Materialien, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Anbieter
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbHHahn-Meitner-Platz 1
14109 Berlin
Deutschland
Meist gelesen
Darmstädter Forschende bringen Verständnis quantenmechanischer Systeme voran
Ein Team unter Leitung der TU Darmstadt hat ein Problem der Quantenphysik durch innovative Umformulierung in eine deutlich einfachere Version übersetzt – ohne dabei wichtige Informationen zu verlieren.
James-Webb-Weltraumteleskop entdeckt seinen ersten Exoplaneten
TWA 7 b ist der leichteste Planet, der direkt abgebildet werden konnte, und ist eine wichtige Etappe hin zur Abbildung erdähnlicher Planeten.
Schwerkraft von ultrarelativistischer Materie
Neuer Test zur Überprüfung von Einsteins Gravitationstheorie am Large Hadron Collider.
Ein Quantengas, das sich nicht erwärmen lässt
Innsbrucker Physiker beobachten „dynamische Vielteilchenlokalisierung“, deren Quantenkohärenz die Aufnahme von Energie verhindert.
Eine neue Sorte von Zeitkristallen entdeckt
Ein exotisches Quantenphänomen zeigt sich unter Bedingungen, unter denen man es eigentlich nicht erwartet hätte.