Jülicher Forscher schauen ins Innerste der Metalle
Nanosonar misst mit Elektronen unter der Oberfläche
So wie ein Sonar Schallwellen aussendet, um die dunklen Tiefen der Ozeane zu erkunden, können Elektronen von Rastertunnelmikroskopen genutzt werden, um tief verborgene Eigenschaften des Atomgitters der Metalle zu untersuchen. Wie Forscher aus Göttingen, Halle und Jülich nun im Fachmagazin „Science“ berichten, haben sie auf diese Art die so genannten Fermi-Flächen im Innern sichtbar gemacht; diese bestimmen die wesentlichen Eigenschaften von Metallen.
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.
Forschungszentrum Jülich
„Die Fermi-Flächen geben den Metallen im eigentlichen Sinne ihre Persönlichkeit“, erklärt Prof. Stefan Blügel, Direktor am Jülicher Institut für Festkörperforschung. Wichtige Eigenschaften, wie Leitfähigkeit, Wärmekapazität und Magnetismus, werden durch sie festgelegt. Auf den Fermi-Flächen innerhalb des Atomverbundes bewegen sich die energiereichsten Elektronen. Je nachdem, welche Form die Flächen haben und welche Beweglichkeit den Elektronen zukommt, bestimmen sie die physikalischen Eigenschaften der Metalle.
In ihrer aktuellen Veröffentlichung berichten die Forscher, dass sie ein Rastertunnelmikroskop nutzen, um Elektronen in eine Kupferprobe zu leiten. Da sich die Elektronen wie Wellen ausbreiten, durchlaufen sie das Metall und werden an Hindernissen in der Tiefe, wie etwa einzelnen Kobaltatomen, gestreut und reflektiert. „Die Überlagerung der einkommenden und ausgehenden Wellen ist so stark“, sagt Dr. Samir Lounis vom Forschungszentrum Jülich, der die theoretischen Berechnungen zum Experiment gemacht hat, „dass sie mit dem Rastertunnelmikroskop an der Oberfläche als ringförmige Strukturen zu messen sind“.
Die etwas deformierten Ringe auf der Oberfläche erlauben es, direkte Rückschlüsse auf die Form der Fermi-Flächen und die Tiefe des Kobaltatoms zu ziehen, so wie ein Sonar aus den reflektierten Schallwellen den Meeresgrund erkennt. „Mit verfeinerten Methoden wird es sicher möglich sein, tief liegende Fremdatome und Grenzflächen zwischen Atomgittern detailliert zu verstehen“, erläutert Lounis. Für seine Simulationen des Rastersondenexperimentes nutzte er auch den Superrechner JUMP im Jülich Supercomputing Centre.
Ein Rastertunnelmikroskop dient in erster Linie der Vermessung der Oberfläche von Proben. Dank der theoretischen Arbeiten aus Jülich lässt es sich nun nutzen, um in den Tiefen von Festkörpern einen direkten Einblick zu bekommen und interessante Effekte der Nanowelt zu verstehen.
Originalveröffentlichung: Weismann et al.; "Seeing the Fermi Surface in Real Space by Nanoscale Electron Focusing"; Science, 27 February 2009, Vol 323, Issue 5918
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