Fata Morgana im Quantenkäfig

Fata Morgana im Quantenkäfig

Sind atomar kleine Super-Chips möglich? Neue Computerberechnungen enthüllen bisher rätselhafte Vorgänge in Nanostrukturen.

Mit Hilfe von Computerberechnungen ist es Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik und der Martin-Luther-Universität in Halle zum ersten Mal gelungen, die bisher rätselhaften Vorgänge in "Quantenkäfigen" im Detail nachzuvollziehen. Diese Gebilde werden in einzelnen Schritten aus wenigen Dutzend Atomen künstlich in Form einer Ellipse - einer ovalen Miniaturschachtel - zusammengesetzt und sind nur wenige Nanometer klein. Platziert man einzelne magnetische Atome in das Innere, lässt sich - das zeigen die Berechnungen - deren Kopplung gezielt so verändern, dass sie sich entweder "ferromagnetisch" (parallele magnetische Momente) oder "antiferromagnetisch" (entgegengesetzt gerichtete magnetische Momente) einstellen. Das entspricht dem klassischen binären Code von Computerchips, der entweder als 0 oder 1 definiert ist - allerdings auf der denkbar kleinstmöglichen Speicherfläche: "Quantenkäfige könnten der Ausgangspunkt für künftige Datenübertragungen auf atomarer Skala sein, damit ließe sich im Vergleich zu den heute üblichen PC-Festplatten das Millionenfache an Informationen speichern", bestätigen die Wissenschaftler Valeri Stepanyuk, Larissa Niebergall, Wolfram Hergert und Patrick Bruno. "Die Vorhersagen aus den Berechnungen ermöglichen uns jetzt, als Quanten-Ingenieure solche Nanostrukturen mit ganz bestimmten magnetischen Eigenschaften zu konstruieren." Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der aktuellen Ausgabe der amerikanischen Fachzeitschrift "Physical Review Letters" veröffentlicht.

Zwei Wege verfolgen die Physiker, um Nanostrukturen (benannt nach dem griechischen Wort "nanos", der Zwerg) herzustellen: Beim "top-down"-Vorgehen werden größere elektronische Bauelemente "von oben nach unten" immer weiter verkleinert. In umgekehrter Richtung, von "unten nach oben", geschieht die "bottom-up"-Entwicklung: Atom für Atom werden die elementaren Bausteine der Materie zu Nanostrukturen zusammengesetzt.

Wichtigstes Werkzeug ist dabei das Rastertunnelmikroskop (RTM). Damit lassen sich auf einer Metalloberfläche einzelne, locker angelagerte - adsorbierte - Atome zu Systemen mit nahezu beliebiger Form anordnen. "Diese ‚bottom-up’-Strategie bietet phantastische Möglichkeiten, einzelne Atome, deren Wechselwirkungen und Dynamik zu manipulieren", erläutern die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik. "Das eröffnet vollkommen neue Chancen für die Datenverarbeitung: Informationsübertragung ohne den bei konventioneller Elektronik notwendigen Stromtransport. Denn im Gegensatz zu größeren Anordnungen spielen in physikalischen Systemen von atomarer Dimension andere Kräfte und Wechselwirkungen, nämlich Quanteneffekte, eine vorherrschende Rolle. Der Spin des Elektrons, klassisch etwa einem Eigendrehimpuls entsprechend, ist ein Effekt der relativistischen Quantenmechanik und lässt sich nur in diesem Rahmen quantitativ verstehen."

Auch große, ellipsenförmige Konstruktionen zeigen Erscheinungen, die auf Anhieb nicht ohne weiteres erkennbar sind. Beispielsweise wird Licht, das von dem einen Brennpunkt ausgeht, in dem anderen Brennpunkt eines elliptischen Spiegels gesammelt. Nach diesem Prinzip haben Baumeister in der Vergangenheit etwa in der St. Paul’s Cathedral London so genannte akustische Flüstergalerien gestaltet: In manchen Gebäuden ist ein nahe der Mauer leise gesprochenes Wort auf der gegenüberliegenden Seite in zig Metern Entfernung deutlich zu verstehen, während ein in der Mitte der Kirche stehender Lauscher davon überhaupt nichts hört.

Abb. 1: Lokale Zustandsdichte (LDOS) an der Fermi-Energie des Kobalt-Adatoms und der Kobalt-Atome, die den Quantenkäfig bilden. Die Spinpolarisation der Oberflächenelektronen innerhalb des Käfigs ist farbig dargestellt. Zur besseren Sichtbarkeit der Effekte wurde für jede Spinrichtung von der LDOS des kompletten Systems die LDOS des Käfigs ohne Adatom sowie die LDOS des einzelnen Adatoms abgezogen. Die "Fata Morgana" ist mit dem roten Pfeil markiert. Die geometrischen Abmessungen entsprechen dem Experiment von Manoharan et al. \[weitere Lit.\] (Bild: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik)

Das funktioniert ebenso im atomaren Bereich. Die Wissenschaftler Hari C. Manoharan, Christopher P. Lutz und Don Eigler vom Almaden Research Center in San Jose, Kalifornien, hatten als Erste eine nanokleine Flüstergalerie für Quantenzustände verwirklicht (und dafür ein Patent erhalten). Aus 36 sorgfältig angeordneten Kobalt-Atomen konstruierten die US-Physiker einen elliptischen Quantenkäfig auf einer kristallinen Kupfer-Oberfläche. Als die Wissenschaftler dann zusätzlich in den einen Brennpunkt ein einzelnes magnetisches Kobalt-Atom setzten, erlebten sie eine Riesenüberraschung: Auch im zweiten Brennpunkt zeigte sich ein deutliches Signal, obwohl dieser Platz leer war.

Verraten hat sich diese "Fata Morgana" durch den nach dem Japaner Jun Kondo benannten "Kondo-Effekt": Er entsteht durch Streuung des Spins der Elektronen eines nichtmagnetischen Materials - Kupfer - an magnetischen Störstellen (des Kobalts). Beim Einsatz eines nicht-magnetischen Atoms und ebenso wenn das einzelne Atom neben dem Brennpunkt angeordnet wurde, kam das auch als "Quantenwunder" bezeichnete Phänomen hingegen nicht zustande.

Zwar haben erste theoretische Untersuchungen in den letzten Jahren gezeigt, dass die "Fata Morgana" das Ergebnis der resonanten Streuung von Oberflächenelektronen am magnetischen Atom im Brennpunkt und an den Atomen der Käfigwand ist. "Doch nur mit Hilfe der erstmals von uns ausgeführten ‚ab initio’-Rechnungen können die vielfältigen Wechselwirkungen in solchen Nanostrukturen nun auch wirklich quantitativ verstanden werden", erklären die Grundlagenforscher des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik und der Martin-Luther-Universität in Halle. "Damit kann man jetzt die ‚Fata Morgana’ in allen Einzelheiten studieren und in Quantenkäfigen zum Beispiel die elektronischen Zustände der einzelnen magnetischen Atome und ihre Einflüsse auf die Umgebung berechnen."

Dieser Fortschritt ist den rasanten Leistungssteigerungen moderner Computer zu verdanken. Das hat Wissenschaftlern ein Instrument gebracht, mit dem sie - wie in einem virtuellen Labor - das komplizierte Geschehen in realen Systemen simulieren können. Das geschieht nach dem so genannten "ab initio" ( = lateinisch: von Anfang an)-Verfahren: Allein aus den Grundgleichungen der Quantenmechanik, den "ersten Prinzipien" und der chemischen Zusammensetzung des Systems - können so das elementare Zusammenspiel einzelner Atome und ihrer Elektronen, und damit auch die lokalen magnetischen Eigenschaften, berechnet werden.

Die "ab initio"-Computersimulationen sind zwar sehr rechenintensiv; sie liefern aber eine quantitative Beschreibung des Verhaltens der beteiligten Elektronen und der von ihnen verursachten magnetischen Zustände, so dass damit auch zuverlässige Vorhersagen über die Struktur und Eigenschaften anderer Nanostrukturen möglich sind.

Dabei verfolgen die Wissenschaftler das Ziel, die magnetische Ausrichtung jedes einzelnen Atoms kontrolliert verändern zu können. Abhängig ist dieses magnetische Moment von der Orientierung - den Spins - der Elektronen. Sie können sich grundsätzlich nur in zwei entgegensetzte Richtungen einstellen: Entweder mit "Spin nach oben" oder mit "Spin nach unten". Nur wenn diese "Quantenkreisel" alle zusammen in einer gemeinsamen Richtung rotieren, entsteht Magnetismus. Voraussetzung dafür sind demnach einheitlich "spinausgerichtete" - polarisierte - Elektronen.

Ihre erste "ab initio"-Berechnung der Spinpolarisation der Oberflächenelektronen in einem elliptischen Quantenkäfig von Kobalt-Atomen auf der in (111)-Gitter-Richtung aufgebauten Kupfer-Oberfläche haben die Forscher des Max-Planck-Instituts und der Martin-Luther-Universität in Abb. 1 dargestellt. Sie haben dabei die Geometrie der Experimente von Manoharan, Lutz und Eigler verwendet. Und eine bisherige Vermutung bestätigt gefunden: Eine Netto-Spinpolarisation ist die Ursache der "Fata Morgana"-Erscheinung.

Erkennbar wird dieser Effekt, wenn man von der Spinpolarisation des Quantenkäfigs mit dem Kobalt-Atom im Brennpunkt die Spinpolarisation des leeren Käfigs abzieht. Da die Spinpolarisation im leeren Brennpunkt wesentlich kleiner ist als am Kobalt-Atom, haben die Wissenschaftler - wie die Abb. 1 zeigt - die Spinpolarisation des einzelnen Kobalt-Atoms auf der Kupfer(111)-Oberfläche ebenfalls abzogen. Erst dann treten die Oszillationen - Schwingungszustände - der Spinpolarisation deutlich sichtbar hervor.

Diese Methode wenden die Hallenser Grundlagenforscher nun an, um den Einfluss von Quantenkäfigen auf die Wechselwirkung jener auf der Kupfer(111)-Oberfläche adsorbierten magnetischen Atome - die so genannten Adatome - zu untersuchen. Denn die Wechselwirkung der Adatome auf der freien Oberfläche wird durch die Oberflächenelektronen bestimmt und ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes der Adatome. Dabei haben die "ab initio"-Berechnungen gezeigt: Dieser schwache Effekt lässt sich durch Quantenkäfige verstärken - Abb. 2 zeigt die Austauschwechselwirkung zwischen zwei Adatomen, die in den Brennpunkten eines elliptischen Quantenkäfigs platziert werden.

Abb. 2: Austauschwechselwirkung, dargestellt als gelbe Kurve, zwischen zwei magnetischen Atomen innerhalb eines aus 56 Kupfer-Atomen bestehenden elliptischen Quantenkäfigs (Exzentrizität = 0,5). Die blaue Kurve zeigt die Austauschwechselwirkung zweier Atome auf der freien Kupfer(111)-Oberfläche. Bei negativen Energien ist die antiferromagnetische Kopplung stabiler. (Bild: Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik)

Daraus ergibt sich: Im Vergleich mit der freien Oberfläche können die Wechselwirkungen verstärkt und der Charakter der Kopplung verändert werden: Antiferromagnetische Kopplung lässt sich damit in ferromagnetische Kopplung umwandeln. Die Kopplung hängt aber auch von der Exzentrizität, also der Form des elliptischen Käfigs ab. Für die Physiker des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik und der Martin-Luther-Universität steht damit fest: "Das beweist, dass man durch die Wahl der Geometrie des Quantenkäfigs die magnetische Wechselwirkung von zwei Adatomen in weiten Grenzen modifizieren kann."

Quelle: MPG/\[EH\]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  V. S. Stepanyuk, L. Niebergall, W. Hergert, and P. Bruno, Ab initio Study of Mirages and Magnetic Interactions in Quantum Corrals, Phys. Rev. Lett. 94, 187201 (published online 11 May 2005). 
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de 
• Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Halle/Saale:
  http://www.mpi-halle.de 
• Spezielle Dokumente und Informationen zu Quantenkäfigen finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Festkörperphysik.

Weitere Literatur:

• H. C. Manoharan, C. P. Lutz & D. M. Eigler, Quantum mirages formed by coherent projection of electronic structure, Nature 403, 512