Wie man atomare Schafherden ordnet

Dass man Elektronen oder Atome innerhalb von Atomstrukturen ähnlich wie Schafe in einem Pferch einsperren kann, ist schon seit Längerem bekannt. Nun haben aber Physiker am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle ein Kuriosum entdeckt: Wenn die atomaren Gatter die richtige Form besitzen, und Unterlage, Temperatur und andere Parameter passend darauf abgestimmt werden, dann ordnen sich zufällig aufgedampfte Atome innerhalb des runden Gatters von selbst in regelmäßigen Strukturen an – so, als würden sich Schafe in einem Gatter von selbst geordnet aufstellen (Physical Review Letters, 2. November 2006).

Seit einigen Jahren konzentriert sich weltweit eine ganze Reihe Forschergruppen darauf, die Leitungselektronen auf der Oberfläche gewisser Materialien – also die Elektronen, die für elektrischen Stromfluss zur Verfügung stehen – mithilfe von gezielt aufgepflanzten Atomen in Muster zu zwingen. Damit will man das Wachstum dünner Materialfilme beeinflussen: Dampft man neue Atome – so genannte Adatome – auf solche Elektronenstrukturen auf, dann lagern sich die Adatome wegen der elektrischen Anziehung und Abstoßung in manchen Gegenden lieber als in anderen an, abhängig von der Elektronendichte auf dem Material. Physiker hoffen so, mit Hilfe maßgeschneiderter Elektronendichten dünne Materialfilme mit vorgegebenen Eigenschaften erzeugen zu können.

Die Forscher am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle untersuchten zusammen mit Physikern der Universitäten Halle und Santiago de Compostella, Spanien, eine besondere Form der Elektronenstruktur: Sie betrachteten Elektronen in einer dicht geschlossenen Ellipse aus Kobalt-Atomen auf einem Kupfer-Untergrund. Die Leitungselektronen kann man sich wie ein Gas oder eine Flüssigkeit vorstellen; im runden „Atompferch“ bilden sie stehende Wellen aus, ähnlich wie Wasserwellen in einem kleinen Teich.

Anschließend simulierten die Physiker, was passiert, wenn nun Kobalt-Adatome aufgedampft werden. Die neuen Atome interagieren mit den Kobalt-Atomen im Pferch und den eingesperrten Elektronen. Es ergeben sich winzige Schwankungen in den Energieniveaus, die nur bei niedrigen Temperaturen von etwa 10 bis 20 Kelvin zum Tragen kommen. Diese Schwankungen führen dazu, dass die Adatome bevorzugt auf Stellen mit hoher Elektronendichte rutschen – falls die Rate der aufgedampften Adatome stimmt, die Temperatur niedrig genug und der Pferch dicht genug ist.

Die Kobalt-Adatome ordnen sich so entsprechend den Wellen im Elektronenteich auf Ellipsen an. Mit Adatomen, die sich bei tiefen Temperaturen leichter bewegen können – etwa Atomen des Elementes Cer – und einer kreisrunden Absperrung konnten die Forscher im Computer sogar regelmäßige Strukturen auf den Kreisen selbst erzeugen; etwa so, als ob sie eine atomare Schafherde zufällig in einen Pferch laufen lasse und die Schafe sich brav in gleichmäßigen Abständen und auf konzentrischen Kreisen aufstellten.

Der nächste Schritt besteht nun darin, die Simulationen im Experiment nachzuweisen, was mit gängiger Rasterkraftmikroskopie möglich sein sollte, um neue Wege für die Erzeugung von dünnen Filmen zu eröffnen.

Originalveröffentlichung:

V.S. Stepanyuk, N.N. Negulayev; L. Niebergall, R. C. Longo, and P. Bruno
Adatom self-organisation induced by quantum confinement of surface electrons
Physical Review Letters 97, 186403 (2006), published 2 November 2006