Rastertunnelmikroskop Rastertunnelmikroskop als Nanosonar für die Metallanalyse

Mit einem Rastertunnelmikroskop konnten Forscher aus Göttingen, Halle und Jülich jetzt die Fermi-Flächen im Innern von Metallen abbilden. Diese Flächen bestimmen Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Wärmekapazität und Magnetismus von Metallen.

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Jülich — So wie ein Sonar Schallwellen aussendet, um die dunklen Tiefen der Ozeane zu erkunden, können Elektronen von Rastertunnelmikroskopen genutzt werden, um tief verborgene Eigenschaften des Atomgitters der Metalle zu untersuchen. „Die Fermi-Flächen geben den Metallen im eigentlichen Sinne ihre Persönlichkeit“, erklärt Prof. Stefan Blügel, Direktor am Jülicher Institut für Festkörperforschung. 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.

Wissenschaftler aus Jülich haben gemeinsam mit Kollegen aus Göttingen und Halle ein Rastertunnelmikroskop genutzt, 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, dass sie mit dem Rastertunnelmikroskop an der Oberfläche als ringförmige Strukturen zu messen sind“, sagt Dr. Samir Lounis vom Forschungszentrum Jülich, der die theoretischen Berechnungen zum Experiment gemacht hat.

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.

Originalveröffentlichung: Weismann et al.: Seeing the Fermi Surface in Real Space by Nanoscale Electron Focusing, Science, 27 February 2009, Vol 323, Issue 5918,

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