Elektronenkorrelationen und Elektronen-Phonon-Kopplung in nanostrukturierten Metalloberflächen

: Atomar aufgelöstes STM-Bild von Nano-Streifen auf einer Kupferoberfläche mit einer Breite von 4 bzw. 6 Atomen.

Wechselwirkung der Elektronen in Festkörpern

Die Untersuchung von Elektronenkorrelationen und Wechselwirkungen der Elektronen mit den Gitterschwingungen ist ein hochaktuelles Gebiet der Festkörperphysik. In der theoretischen Beschreibung von Festkörpern müssen verschiedene Vereinfachungen gemacht werden, um das komplexe Zusammenspiel von 10 hoch 23 Elektronen mit ebenso vielen positiven Atomrümpfen (Kristallgitter) zu beschreiben. Eine sehr weitgehende Vereinfachung, die das Berechnen von elektronischen Bandstrukturen ermöglicht ist das Bild unabhängiger Elektronen (Einelektronenbild). Dabei werden die Elektronen unabhängig voneinander im „See“ der anderen Elektronen beschrieben. Die Wechselwirkung der Elektronen untereinander wird nur durch eine Wechselwirkung mit der lokalen Dichte der anderen Elektronen erfasst: lokale Dichtenäherung (LDA).

Elektronenkorrelationen sind Wechselwirkungen der Elektronen, die über dieses einfache Bild hinausgehen und Ursache für viele sehr interessante Effekte sind (Supraleitung, Kolossaler Magnetwiderstand, Metall-Isolator Übergänge etc. ). Sind die Korrelationen schwach, kann das Einelektronenbild weitgehend beibehalten werden und das Vielelektronensystem wird durch die Landau-Theorie der Fermiflüssigkeiten beschrieben. Dabei werden die Elektronen sogenannten Quasiteilchen zugeordnet, die die gleichen Quantenzahlen wie die echten Elektronen haben, aber eine renormierte Masse und eine begrenzte Lebensdauer besitzen. Sind die Elektronenkorrelationen stark, spricht man von hoch korrelierten Materialien, für die andere Modelle zur Beschreibung des Elektronensystems verwendet werden müssen.

Auch die Kopplung der Elektronen an die Gitterschwingungen (Phononen) beeinflusst die elektronischen Eigenschaften maßgeblich. Am bekanntesten ist die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit. Hier wird mit steigender Temperatur durch Zunahme von Stößen mit Phononen die Driftgeschwindigkeit der Elektronen reduziert und damit die Leitfähigkeit herabgesetzt. Bei besonders starker Kopplung an Phononen kann es aber auch zu einem umgekehrten Effekt kommen. Bei der Supraleitung werden zwei Elektronen mit umgekehrtem Spin und entgegengesetztem Impuls durch Phononen aneinander gebunden und bilden sogenannte Cooper Paare. Diese können sich ganz ohne Stöße mit Defekten oder Phononen widerstandsfrei durch den Kristall bewegen. Solche komplexen Kopplungen sind bis heute nicht vollständig verstanden. Bei den Hochtemperatursupraleitern z. B. ist der Kopplungsmechanismus noch nicht aufgeklärt und es wird ein Zusammenspiel von Elektronenkorrelationen, Elektron-Phonon Kopplung und antiferromagnetischen Kopplungen diskutiert. Experimentelle Methoden zur gezielten Untersuchung von Elektronenkorrelationen und Elektron-Phonon Kopplung sind daher von großem Wert.

: Hochauflösendes Photoelektronenspektrometer

Experimentelle Methoden zum Studium der Korrelationen und der Elektron-Phonon Wechselwirkung

In unserer Arbeitsgruppe wird die winkelaufgelöste Photoemission (ARPES) und die Tieftemperatur-Rastertunnelspektroskopie eingesetzt, um neue Erkenntnisse über die Kopplungen in neuen Materialien und in nanostrukturierten Oberflächen zu gewinnen. Alle Experimente werden im Ultrahochvakuum durchgeführt, um atomar saubere Probenoberflächen zu haben. Bei der winkelaufgelösten Photoemission wird die Probe mit UV-Licht einer bestimmten Energie zwischen 10 und 50 eV bestrahlt. Durch den Photoeffekt werden Elektronen ausgelöst, die ins Vakuum übertreten. Aus der Richtung und der Energie der Elektronen kann mit sehr hoher Genauigkeit Energie und Impuls der Elektronen im Innern des Kristalls bestimmt werden. Diese Methode wird seit 25 Jahren zur Messung der Bandstruktur von Festkörpern eingesetzt. In den letzten 10 Jahren konnte die Auflösung erheblich verbessert werden, so dass heute auch aus der gemessenen Linienbreite Informationen gewonnen werden können. Die Linienbreite ist umgekehrt proportional zur Lebensdauer der elektronischen Zustände und bietet daher den Zugang zur Messung von Korrelationseffekten. Der Vorteil gegenüber Methoden aus der klassischen Festkörperphysik ist die hohe Auflösung im reziproken Raum (k-Raum), die es erlaubt, die Kopplungen einzelner Zustände an bestimmten k-Raum-Punkten zu messen. Bei klassischen Methoden wie Transport- oder Zyklotron-Resonanzfrequenz wird dagegen über Bereiche der Brillouinzone integriert. Besonders zuverlässig kann mit ARPES die Zunahme der effektiven Masse durch Elektron-Phonon-Kopplung gemessen werden.

Bei der Rastertunnelmikroskopie besteht die einzigartige Möglichkeit einzelne Nanostrukturen direkt zu untersuchen und Spektren an diesen zu messen. Misst man den Tunnelstrom I als Funktion von der angelegten Spannung V bei festem Abstand, so erhält man ein Signal, dass proportional zum Integral über die Zustandsdichte r der Probe ist. In besonders stabilen Mikroskopen ist es möglich mit Lock-In Technik ein dI/dV Signal zu messen, das direkt proportional zur lokalen Zustandsdichte ist. In Nanostrukturen sind die elektronischen Zustände quantisiert. Dies führt bei eindimensionalen Strukturen zu sogenannten Van Hove Singularitäten in der Zustandsdichte und bei Quantenpunkten zu diskreten Eigenzuständen. Aus der Verbreiterung der Energieniveaus kann nun wiederum die Lebensdauer gemessen werden. In unserer Arbeitsgruppe haben wir ein Tieftemperatur-Tunnelmikroskop in Betrieb, das mit flüssigem Helium gekühlt wird und bei T = 5 K arbeitet. Es ist so stabil gegen thermische Drift und Erschütterungen, dass hochauflösende Spektroskopie betrieben werden kann. Wir haben erfolgreich die Lebensdauer von Zuständen in eindimensionalen und nulldimensionalen Nanostrukturen mit Ausdehnungen < 5 nm gemessen und die Abhängigkeit von Größe und Dimensionalität der Strukturen untersucht.

: Schichtförmige Kristallstruktur von Strontium Ruthenat

Komplexe Materialien mit starken Kopplungen

In Übergangsmetalloxiden sind die Kopplungen der Elektronen untereinander und an die Freiheitsgrade des Gitters sehr stark. Aufgrund der starken Kopplungen treten interessante und anwendungsrelevante Effekte wie Hochtemperatur-Supraleitung, Kolossaler Magnetwiderstand, Ladungs- und Orbitalordnung, etc. auf. Viele der Materialien besitzen eine Schichtförmige Kristallstruktur und können im Ultrahochvakuum gespalten werden um atomar saubere und glatte Oberflächen herzustellen.Diese Materialien besitzen aufgrund ihrer Schichtstruktur auch im Volumen eine zweidimensionale elektronische Struktur. Es ist daher sehr interessant, die oben beschriebenen Methoden der Oberflächenphysik anzuwenden, um die Kopplungen zu studieren. Dies kann Informationen über die Kopplungen im Volumen, aber auch über besondere Eigenschaften in der Oberfläche, liefern. Wir STM-Untersuchungen an dem p-Wellen-Supraleiter Strontium Ruthenat, einem Manganat und an einem quasi ein-dimensionalen Molybdenoxid - der purpurnen Bronze - durchgeführt.