Quanten-Frosch: ohne Türzustand kein Entkommen

„Feste Materialien, aus denen relativ langsame Elektronen austreten, spielen in der Physik eine wichtige Rolle. Man kann aus der Energie dieser Elektronen wertvolle Information über das Material ableiten“, sagt Anna Niggas vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. Die Elektronen im Material können unterschiedlich viel Energie haben. Solange sie eine bestimmte Energieschwelle nicht überschreiten, müssen sie zwangsläufig im Material gefangen bleiben. Wenn man das Material mit zusätzlicher Energie versorgt, überschreiten manche Elektronen diese Energieschwelle.

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Abgeschüttelte Elektronen

„Nun könnte man glauben, dass all diese Elektronen, sobald sie genug Energie haben, das Material verlas­sen“, sagt Richard Wilhelm, Leiter der For­schungs­gruppe für Atom- und Plasma­physik an der TU Wien. „Dann wäre die Sache einfach: Man müsste nur ansehen, welche Energie die Elek­tronen im Material haben – und daraus könnte man dann direkt ablesen, welche Elek­tronen man außer­halb des Mate­rials zu erwarten hat. Aber wie sich gezeigt hat, stimmt das nicht.“

Rechenergebnisse und Beobachtung schienen bei solchen Experi­menten nicht über­ein­zu­stimmen. Beson­ders ver­wir­rend: „Ver­schie­dene Materi­alien, etwa Graphen­struk­turen mit einer unter­schied­lichen Anzahl von Schich­ten, haben eigent­lich die­selben Elek­tronen-Energien, zeigen aber völlig unter­schiedliche Ergeb­nisse, wenn man die Elek­tronen untersucht, die aus den Materi­alien aus­tre­ten“, erklärt Niggas.

Die entscheidende Erkenntnis: Es kommt nicht nur auf die Energie an. Es gibt Quanten­zustände, die zwar über der nötigen Energie­schwelle liegen, aber trotzdem nicht aus dem Material heraus­führen – diese Zustände hatte man in bishe­rige Über­legungen nicht einbe­zogen. „Energe­tisch betrachtet ist das Elektron in diesem Fall gewisser­maßen nicht mehr Teil des Fest­körpers. Es hat eine Energie wie ein freies Elektron, aber es befindet sich räumlich immer noch dort, wo eben auch der Fest­körper ist“, sagt Wilhelm. Das Elektron benimmt sich gewisser­maßen wie der Frosch, der zwar aus­reichend hoch hüpft, aber den Ausgang nicht findet.

„Die Elektronen müssen ganz bestimmte Zustände anneh­men, sogenannte doorway states“, erklärt Florian Libisch vom Institut für Theore­tische Physik. „Sie koppeln stark an Zustände, die tatsäch­lich aus dem Fest­körper hinaus­führen. Nicht jeder Zustand mit prinzi­piell ausrei­chender Energie ist ein solcher doorway-state.“

„Wir konnten erstmals zeigen, dass die Form des Elektronen­spektrums nicht nur vom Material selbst abhängt, sondern vor allem davon, ob und wo solche resonanten Tür­zustände existieren.“, sagt Niggas. Manche dieser Tür­zustände öffnen sich erst, wenn man mehr als fünf Schichten eines Mate­rials kombiniert. Das eröffnet ganz neue Perspek­tiven für den gezielten Einsatz von Schicht­materi­alien in Techno­logie und For­schung. [TU Wien / dre]