Forscher visualisieren Wellen von Elektronen auf der Nanometerskala

Mit einem speziell entwickelten Rastertunnelmikroskop ist es Physikern aus Göttingen, Jülich und Halle gelungen, die durch „Defekte“ hervorgerufenen Elektronenwellen in einem Festkörper im Nanometerbereich sichtbar zu machen.

Die Form der beobachteten Muster weist dabei einen Zusammenhang auf zu einer lange bekannten Materialeigenschaft, der Fermi-Fläche. Sie beschreibt die energetischen Zustände von Elektronen eines Metalls und ist für die Anwendung in neuen magnetischen Materialien von Bedeutung. Die Untersuchungen an der Universität Göttingen wurden am IV. Physikalischen Institut im Schwerpunkt Festkörper- und Materialphysik durchgeführt. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift „Science“ vorgestellt.

Die Quantenmechanik beschreibt das Verhalten von Materie im atomaren Bereich und zeichnet sich wesentlich durch den Dualismus von Welle und Teilchen aus. Der Wellencharakter von Elektronen, der maßgeblich die physikalischen Eigenschaften eines Festkörpers bestimmt, ist experimentell jedoch nur schwer sichtbar zu machen. Anders als Wasserwellen, die sich auf der Oberfläche eines Sees nach einem Steinwurf kreisförmig ausbreiten, kann die Ausbreitung von Elektronen als sogenannte Huygensche Elementarwelle sehr komplexe Strukturen annehmen. Ihre Visualisierung auf der Nanometerskala gelang Dr. Alexander Weismann, Dr. Martin Wenderoth und Prof. Dr. Rainer G. Ulbrich zusammen mit Experten des Forschungszentrums Jülich und der Universität Halle-Wittenberg.

Als „Störungen“ verwendeten die Forscher einzelne Kobaltatome, die mehrere Lagen unter einer atomar glatten Kupferoberfläche präpariert wurden. An diesen Verunreinigungen werden Elektronen gestreut. Dadurch entsteht ein stehendes Wellenmuster mit langer Reichweite, das mit Hilfe des Göttinger Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops an der Oberfläche sichtbar gemacht werden konnte. Dabei hat sich gezeigt, dass sich die Elektronenwellen in bevorzugte Richtungen ausbreiten. Dieses Phänomen, das als Elektronenfokussierung bezeichnet wird, kann nach Angaben von Dr. Weismann in weitergehenden Anwendungen ähnlich wie ein Echolot eingesetzt werden, um „vergrabene“ Nanostrukturen abzubilden.

Originalveröffentlichung:
A. Weismann, M. Wenderoth, S. Lounis, P. Zahn, N. Quaas, R.G. Ulbrich, P.H. Dederichs, S. Blügel: Seeing the Fermi Surface in Real Space by Nanoscale Electron Focusing, Science 323 (2009)
Kontaktadresse:
Dr. Martin Wenderoth, Universität Göttingen
IV. Physikalisches Institut, Telefon (0551) 39-9367
e-mail: wenderoth@ph4.physik.uni-goettingen.de