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In einer Computersimulation konnten die Jülicher Forscher zeigen, welche Form die Ringe auf dem Kristallgitter des Kupfers annehmen.
[Bildquelle: Forschungszentrum Jülich]
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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.
[Bildquelle: Forschungszentrum Jülich]
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"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. Im begleitenden "Perspective Article" im Magazin Science wird der innovative Ansatz gelobt. 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. Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Gesundheit, Energie und Umwelt sowie Informationstechnologie. Kombiniert mit den beiden Schlüsselkompetenzen Physik und Supercomputing werden in Jülich sowohl langfristige, grundlagenorientierte und fächerübergreifende Beiträge zu Naturwissenschaften und Technik erarbeitet als auch konkrete technologische Anwendungen. Mit rund 4 400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern gehört Jülich, Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, zu den größten Forschungszentren Europas.
Die ebenfalls beteiligte Universität Stuttgart gibt hierzu bekannt:
Forscher visualisieren Wellen von Elektronen auf der Nanometerskala Göttinger Physiker nutzen dazu ein selbstentwickeltes Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop
(pug) 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.
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