Überraschende Effekte bei Ionenbeschuss

Ein Team der TU Wien hat ein Quantensystem analysiert, bei dem es ebenfalls zwei gleichberechtigte Grundzustände gibt. Wenn man Energie zuführt, indem man es mit Ionen beschießt, kann man diesen Zustand ändern. Erstaunlicherweise wird das System jedes Mal umgeschaltet: Es endet nach dem Ionenbeschuss zuverlässig im entgegengesetzten Zustand. Für das Experiment wurde das Equipment der TU Wien ans DESY in Hamburg transportiert, die untersuchten Kristalle stammen von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Kieler Forschende waren ebenfalls an den Experimenten beteiligt.

J. Buck, K. Rossnagel, A. Niggas und R. Wilhelm (v.l.n.r.) beim ASPHERE III Setup am DESY.

Quelle: TU Wien

„Wir untersuchen ein ganz besonderes Material, nämlich Tantaldisulfid, das Quantenmaterial 1T-TaS₂“, sagt Richard Wilhelm, Professor am Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Die Teilchen in diesem Material verhalten sich ganz anders als wir das von Objekten aus unserem Alltag gewohnt sind. Die Elektronen sind miteinander stark korreliert. Das bedeutet, man kann sie nicht unabhängig voneinander betrachten. Wenn wir Ionen auf dieses Material schießen, dann interagieren diese Ionen nicht einfach nur mit einem Elektron, das sie dort treffen, sie wechselwirken gewissermaßen mit dem gesamten Elektronen-Kollektiv auf einmal.“

Interessant an Tantaldisulfid ist auch, dass sich die Elektronen auf zwei verschiedene Arten anordnen können. Genau wie die Münze, die mit der Kopf- oder der Zahl-Seite nach oben auf dem Tisch liegen kann, haben beide diese Varianten dieselbe Energie. „Die Elektronen erzeugen an der Oberfläche des Materials ein sechseckiges Sternmuster“, erklärt Anna Niggas, die Erstautorin der neuen Arbeit. „Dieses Elektronen-Muster kann aber in zwei verschiedene Richtungen gedreht sein, ähnlich wie ein Drehschalter, den man zwischen zwei Positionen hin und her schalten kann.“

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Atomen und Elektronen bei der Arbeit zusehen

Die Forschungsgruppe an der TU Wien untersucht seit vielen Jahren, wie sich Materialien unter Beschuss mit energiereichen Ionen verhalten. Um zu sehen, was mit Tan­tal­di­sul­fid in dieser Situation passiert, transportierte man die Ionen-Anlagen der TU ans DESY nach Hamburg. „Wenn unsere schnellen, hochgeladenen Ionen auf der Tan­tal­di­sul­fid-Oberfläche einschlagen, dann wird das Elektronen-System massiv aus dem Gleichgewicht gebracht“, sagt Wilhelm. „Manche Elektronen werden herausgeschlagen, andere gehen in höhere Energiezustände über. Auch Elektronen, die weiter drin im Material sitzen, werden massiv beeinflusst.“

Nach dieser turbulenten Phase kehrt das System wieder in einen der beiden möglichen Grundzustände mit niedriger Energie zurück. „Nun könnte man meinen, die Wahrscheinlichkeit für die beiden möglichen Zustände sollte jeweils fünfzig Prozent sein – genau wie bei einer geworfenen Münze“, sagt Niggas. „Aber erstaunlicherweise ist das nicht so. Der Ionenbeschuss schaltet den Zustand des Materials um. Die Tantaldisulfid-Oberfläche befindet sich danach jeweils im anderen Zustand als vorher.“

Diese überraschende Eigenschaft hat mit den komplexen Quanten-Korrelationen der Elektronen zu tun. In der turbulenten Zwischenphase, direkt nach dem Ioneneinschlag, beginnt sich zunächst an der Materialoberfläche punktuell eine neue Ordnung zu formieren. „Die Kopplung zwischen den Elektronen der Oberfläche und den Elektronen im Inneren des Materials ist durch den Ioneneinschlag aber völlig anders als zuvor – und das bewirkt, dass in diesem Fall genau die entgegengesetzte Elektronenkonfiguration energetisch besser zu den Elektronen im Inneren des Materials passt“, sagt Richard Wilhelm. „Quanteneffekte sorgen also dafür, dass das Ergebnis danach nicht völlig zufällig ist, wie man naiv erwarten könnte, sondern dass es hier zu einem vorhersagbaren Umschalten kommt.“ [TU Wien / CAU / dre]