Nanosonar erspäht Fermi-Flächen

 
Deutsche Physiker analysieren mit reflektierten Elektronenwellen die Ursachen für Leitfähigkeit und Magnetismus in Metallen

Göttingen/Jülich/Halle – Bisher blieb der Blick von Rastertunnelmikroskopen auf die Oberflächen von metallischen und halbleitenden Proben beschränkt. Doch nun konnte ein Team deutscher Physiker über reflektierte Elektronenwellen auch Informationen aus dem Inneren von Metallkristallen gewinnen. Wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, konnten sie die Struktur der Fermi-Flächen in einer Kupferprobe bestimmen. Diese Grenzschichten zwischen besetzten und unbesetzten Zuständen bestimmen die typisch metallischen Eigenschaften wie Leitfähigkeit und Magnetismus.

Abb. 1: Auf einer Kupferoberfläche erkennt ein Rastertunnelmikroskop ringförmige Strukturen (Bildausschnitt ca. 9 mal 9 Nanometer). Diese Unebenheiten in der Elektronenverteilung werden durch sehr tief liegende Kobaltatome verursacht. (Bild: Forschungszentrum Jülich)

"Die Fermi-Flächen geben den Metallen im eigentlichen Sinne ihre Persönlichkeit", sagt Stefan Bügel vom Institut für Festkörperforschung am Forschungszentrum Jülich. Zusammen mit Kollegen der Universitäten in Göttingen und Halle gelang es, mit der atomfeinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops (STM) Messdaten von den Fermi-Flächen im Inneren eines Kupferkristalls zu gewinnen. Das neue Analyseverfahren bezeichnen die Forscher als "Nanosonar", da analog zu den Schallwellen in einem klassischen Sonarsystem hier Elektronenwellen in den Kristall eindringen. Aus den mit der Mikroskopspitze aufgefangenen Reflexions- und Interferenzsignalen konnte direkt auf die Struktur der Fermi-Flächen zurück geschlossen werden.

Abb. 2: Die Fermi-Fläche um ein Kobaltatom, das in Kupfer eingebettet ist. Die Farben geben die Krümmung der Fläche wieder, die die Reflektionseigenschaften für Elektronenwellen bestimmt. (Bild: Universität Halle)

Von zentraler Bedeutung für eine ausreichende Signalintensität sind allerdings winzige Streuzentren aus Fremdatomen im Kupferkristall. Während der Abscheidung der Kupferschichten auf einem Träger fügten die Forscher daher 0,1 Prozent Kobaltatome zu, die sich in den 15 obersten Schichten gleichmäßig verteilt einlagerten. Elektronenwellen, die nun von der STM-Spitze in die Probe eindrangen, wurden an den Kobaltatomen gestreut und reflektiert. Die daraus resultierenden Streu- und Interferenzsignale waren intensiv genug, um über die Tunnelstrom-Messungen mit der Mikroskopspitze nachgewiesen zu werden.

"Die Überlagerung der einkommenden und ausgehenden Wellen ist so stark, dass sie mit dem Rastertunnelmikroskop an der Oberfläche als ringförmige Strukturen zu messen sind", erklärt der Jülicher Forscher Samir Lounis. Über diese etwas deformierten Ringe einer stehenden Welle schlossen die Physiker direkt auf die Form der Fermi-Flächen und die Tiefe der eingelagerten Kobaltatome zurück. Parallel auf dem Jülicher Supercomputer "Jump" durchgeführte Simulationen erleichterten dabei die Auswertung der Messdaten.

Andere Messmethoden - beispielsweise die winkelaufgelöste Photoemission - konnten bislang nur einzelne Ausschnitte von Fermi-Flächen analysieren. Das Nanosonar dagegen erfasst die komplette elektronische Struktur im Innern der leicht verunreinigten Kupferschichten. Nun wollen die Physiker ihre neue Messmethode noch weiter verbessern. "Mit verfeinerten Methoden wird es sicher möglich sein, tief liegende Fremdatome und Grenzflächen zwischen Atomgittern detailliert zu verstehen", sagt Lounis. Das Nanosonar könnte so nicht nur zu einem besseren Verständnis der Fermi-Flächen mit den resultierenden metallischen Materialeigenschaften führen. Auch für Festplatten genutzte magnetische Werkstoffe und deren Spinzustände ließen sich in Zukunft genauer charakterisieren und optimieren.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Weismann et al.: Seeing the Fermi Surface in Real Space by Nanoscale Electron Focusing. Science 323, 5918 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1168738
• Kommentar: Andreas J. Heinrich, Looking Below the Surface. Science 323, 1178 (2009)
  http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/323/5918/1178
• Institut für Festkörperforschung, FZ Jülich:
  http://www.fz-juelich.de/iff/
• 4. Physikalisches Institut, Universität Göttingen:
  http://www.ph4.physik.uni-goettingen.de/
• Martin Luther Universität Halle-Wittenberg Pressemitteilung:
  http://www.verwaltung.uni-halle.de/pressedb/ausgabe_pressedb/index.php?modus=pmanzeige&pm_id=755

Weiterführende Literatur:

• F. Meier, L. Zhou, J. Wiebe, R. Wiesendanger, Science 320, 82 (2008).
• C. R. Moon, L. S. Mattos, B. K. Foster, G. Zeltzer, H. C. Manoharan, Nature Nanotechnoly (2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2008.415 
• Y. Kohsaka et al., Science 315, 1380 (2007)

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