Die Topologie von Gold
Experimente vermessen topologische Oberflächenzustände – und eröffnet Weg zu neuen Quanten-Materialien.
Die Oberfläche von Gold ist einzigartig, denn sie beherbergt elektronische Zustände, nach dem amerikanischen Physiker und Nobelpreisträger William Shockley als „Shockley-Oberflächenzustände“ bezeichnet. Sie lassen sich als topologisch abgeleitete Oberflächenzustände deuten, vergleichbar mit dem robusten Oberflächenzustand eines topologischen Isolators, einem kürzlich entdeckten neuen Quantenzustand. Gold und Platin, Metalle mit topologischen Shockley-Oberflächenzuständen, werden als Standards in der Oberflächenphysik und -chemie eingesetzt und sind auch als Materialien für die Katalyse etabliert. Gold-Oberflächenzustände werden gemeinhin als Benchmark für die Leistungsfähigkeit von Photoemissions-Spektroskopie und Rastertunnelspektroskopie verwendet.
Festkörperchemiker am MPI für chemische Physik fester Stoffe in Dresden und Oberflächenphysiker der Uni Kaiserslautern haben nun die topologischen Zustände von Gold gemeinsam untersucht. Um dabei eine theoretische Vorhersage des Dresdner Teams zu beweisen, haben die Forscher aus Kaiserslautern eine einzigartige Photoemissionstechnik verwendet. Die impulsaufgelöste Zwei-Photonen-Photoemission erlaubt es, die elektronische Struktur im Impulsraum sowohl unterhalb als auch oberhalb der Fermienergie zu messen. Durch die Kombination eines optischen, parametrischen Oszillator-Lasersystems mit einem modernen Impulsmikroskop war es möglich, die Dispersion der Oberflächenzustände zu vermessen und ihre topologische Natur experimentell zu bestätigen.
Diese Entdeckung eröffnet nicht nur einen Weg zu neuen Quanten-Materialien, sie wird sicher auch eine Diskussion über die Rolle topologischer Oberflächenzustände für oberflächenbezogenen Prozesse wie Adsorption und Katalyse auslösen. Binghai Yan vom MPI in Dresden ist „fest davon überzeugt, dass robuste Oberflächenzustände in topologischen Materialien die Katalyse positiv beeinflussen sollten. Wir werden dieses Konzept anwenden, um nach neuen und nachhaltigen Materialien jenseits von Edelmetallen zu suchen."
MPI CPfS / RK
