Neues zur Lebensdauer von Quasiteilchen in Metallen

Ein neues Verfahren beeinflusst die Wanderungsbewegung von Elektronen und ermöglicht damit Einsichten zur Elektronendynamik an Grenzflächen zwischen Halbleiter und Metall.

Eine Forschungslücke hat das Team von Uwe Bovensiepen von der Universität Duisburg-Essen (UDE), in Kooperation mit Partnern aus San Sebastian/Spanien geschlossen. Den Forschern gelang es, die rechnerischen Ergebnisse zur Lebensdauer von Quasiteilchen experimentell zu bestätigen. Diese Einsichten über die Elektronendynamik an Grenzflächen zwischen Halbleiter und Metall sind wichtig für die Herstellung von immer kleineren Strukturen, etwa in Mikroprozessoren.

Als Quasiteilchen werden Elektronen im Zustand der energetischen Wechselwirkung mit anderen, angekoppelten Elektronen bezeichnet. Lenkt man zum Beispiel einen Laserpuls auf die Oberfläche eines hauchdünnen Bleifilms, so werden die Elektronen an der Oberfläche des Bleifilms angeregt und in eine höhere Schwingungsfrequenz versetzt. Das – modellhaft gesprochen – mit Energie aufgeladene und dadurch vor allen anderen Elektronen sozusagen ausgezeichnete Elektron wird, um das thermodynamische Gleichgewicht unter den Elektronen wieder herzustellen, seine „überschüssige“ Energie unter all die mit ihm verkoppelten Elektronen gleichmäßig verteilen. Am Ende dieses Prozesses verfügen alle beteiligten Elektronen über die gleiche Menge an Energie (die, auf das einzelne Elektron bezogen, natürlich erheblich geringer ausfällt als die ursprünglich auf ein Elektron konzentrierte Energiemenge).

Das Energie abgebende und verteilende Elektron ist das sogenannte Quasiteilchen oder auch Quasipartikel. Seine Lebensdauer definiert sich durch die Zeitspanne, die es braucht, um die Energie auf die anderen Elektronen gleichmäßig zu verteilen. „Dieser Zusammenhang ist theoretisch bekannt“, betont Bovensiepen. „Das ist hinlänglich beschrieben und in Anregeabfrageexperimenten beobachtet.“ Es gebe aber einen zweiten Aspekt, der sich wie ein Störfeuer auf die Wiederherstellung des thermodynamischen Gleichgewichts auswirke und in den erwähnten Experimenten die Berechnungen der Forscher bislang erheblich durcheinander gewirbelt habe.

„Dummerweise wandern Elektronen nämlich“, sagt Bovensiepen. Ist das Substrat, auf das der hauchdünne Bleifilm aufgebracht ist, ein leitfähiges wie zum Beispiel Kupfer, wandern Elektronen in dieses benachbarte Substrat ab. Bildlich gesprochen: Sie lösen sich aus dem Verband der Elektronen im Blei, bevor sie von dem Quasiteilchen überhaupt mit ihrem Anteil an der zu verteilenden Energie bedacht werden konnten. Das wiederum bedeutet aber: Das Quasiteilchen ist mit der Arbeit des Verteilens schneller fertig als es eigentlich sein müsste – seine Lebensdauer mithin kürzer. Das Einsickern von Elektronen in ein benachbartes Substrat verfälscht also das Ergebnis, es verkürzt die beobachtete Lebensdauer des Quasiteilchens.

Bovensiepens Entdeckung: Nimmt man statt des leitfähigen Materials ein Halbleitermaterial wie Silizium als Substrat, lässt sich ein „Energiefenster“ schaffen, innerhalb dessen sich die Theorie zur Lebensdauer von Quasiteilchen experimentell bestätigt. Und das geht so: Die Leitfähigkeit von Silizium ist von der Zufuhr von Wärme beziehungsweise Energie abhängig. „Je mehr sich die Umgebungstemperatur dem Nullpunkt annähert, desto mehr“, sagt Bovensiepen, „wird das Silizium, also der Halbleiter zum Isolator. Drossele ich also die Energiemenge, mit der ich durch den Laserpuls die Oberfläche des auf das Silizium aufgebrachten Bleis beschieße, unter ein bestimmtes Niveau, so verhindere ich ein Abwandern von Elektronen in das Silizium, da in diesem die Wanderungsbewegungen überhaupt zum Stillstand kommen. Ich sperre sozusagen die Elektronen ein. Damit verhindere ich, dass Wanderungsbewegungen die Untersuchung der Lebensdauer von Quasipartikeln behindern und verfälschen. Ich kann diese Lebensdauer unter stabilen Laborbedingungen untersuchen, und es stellt sich heraus, dass die Ergebnisse dem entsprechen, was man rechnerisch schon längst wusste.“

Die beschriebenen Experimente wurden an der FU Berlin in Kooperation mit einer Forschergruppe vom Donostia International Physics Center, San Sebastian/Spanien, unter der Federführung von Evgueni V. Chulkov begonnen und an der Universität Duisburg-Essen im Sonderforschungsbereich 616 „Energiedissipation an Oberflächen“ fortgesetzt. Für ihre Untersuchungen verwenden die Physiker und Chemiker des SFB ultrakurze Laserpulse. Sie nutzen Verfahren, die extrem schnelle Bewegungen sichtbar machen können. So lässt sich beispielsweise die Flugbahn eines Elektrons auch dann noch verfolgen, wenn es mit einem Tempo durch die Gegend rast, das der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit entspricht.

Universität Duisburg-Essen/AL

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Patrick S. Kirchmann, Laurenz Rettig, Xabier Zubizarreta, Vyacheslav M. Silkin, Evgueni V. Chulkov, Uwe Bovensiepen: Quasiparticle lifetimes in metallic quantum-well nanostructures. Nature Physics, online 1. August 2010
  dx.doi.org/10.1038/nphys1735
• Sonderforschungsbereich 616:
  www.sfb616.uni-due.de/englisch/news.htm