Halle - Fermi-Fläche von Kupfer sichtbar gemacht

So wie ein Sonar oder Echolot Schallwellen aussendet, um die Tiefen der Ozeane zu erkunden, können Elektronen in Metallen genutzt werden, um verborgene Eigenschaften des Atomgitters zu untersuchen. Dies haben sich die ForscherInnen der Georg-August-Universität Göttingen, des Forschungszentrums Jülich und der Martin-Luther-Universität Halle zunutze gemacht. Mit einem Rastertunnelmikroskop konnten sie Muster beobachten, die einen engen Zusammenhang zur sogenannten Fermi-Fläche der untersuchten Kupfer-Probe aufweisen.

“Die Fermi-Fläche ist der Fingerabdruck eines Metalls”, erklärt Peter Zahn, Mitarbeiter im Institut für Physik in der Arbeitsgruppe “Quantentheorie des Festkörpers” von Ingrid Mertig.. “Wichtige Merkmale wie Leitfähigkeit, Wärmekapazität und Magnetismus werden durch sie festgelegt.” Die Fermi-Fläche charakterisiert die energiereichsten Elektronen, die sich innerhalb des Metalls bewegen. Je nachdem, welche Form die Fläche hat und welche Geschwindigkeiten die Elektronen besitzen, bestimmen sie die physikalischen Eigenschaften der Metalle.

Da sich die Elektronen wie Wellen ausbreiten, durchlaufen sie das Metall und werden an Hindernissen, wie etwa einzelnen Kobaltatomen, gestreut und reflektiert. Die Reflexion der Wellen erfolgt vorrangig in bestimmte Richtungen, sodass sie mit dem Rastertunnelmikroskop an der Oberfläche als ringförmige Strukturen zu messen sind.

Die deutlich deformierten Ringe auf der Oberfläche erlauben es, direkte Rückschlüsse auf die Form der Fermi-Fläche und die Tiefe des Kobaltatoms zu ziehen. Eine Verfeinerung der experimentellen Methode mithilfe dieser Analyse sollte es ermöglichen, tief liegende Fremdatome, Grenzflächen und auch magnetische Eigenschaften zu untersuchen.

Die im Magazin “Science” vorgestellte Arbeit eröffnet ein völlig neues Einsatzgebiet eines etablierten und weit verbreiteten physikalischen Messprinzips. Ein Rastertunnelmikroskop wird vorrangig zur Untersuchung der Oberfläche von Proben eingesetzt. Dank der theoretischen Arbeiten lässt es sich nun nach Angaben der beteiligten Forscher nutzen, um einen direkten Einblick in das Innere von Festkörpern zu bekommen und interessante Effekte der Nanowelt sichtbar zu machen und zu verstehen.

Alexander Weismann, Martin Wenderoth, Samir Lounis, Peter Zahn, Norbert Quaas, Rainer G. Ulbrich, Peter H. Dederichs, Stefan Blügel: Seeing the Fermi Surface in Real Space by Nanoscale Electron Focusing, Science 323, 1190 (2009)

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Fermiflächen metallischer Elemente

PD Dr. Peter Zahn – Institut für Physik