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Atom für Atom neue Erkenntnisse

27.09.2005 - (idw) Forschungsverbund Berlin e.V.

Physiker des Berliner Paul-Drude-Instituts erforschen den Übergang von der Nanowelt zur normalen Welt. Jetzt gelang es einer Gruppe um Stefan Fölsch, den Übergang von der Quantenwelt atomarer Strukturen in die "normale" Welt makroskopischer Materialeigenschaften sichtbar zu machen. Was vor wenigen Jahren noch wie pure Science-Fiction klang, ist am Berliner Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik Forscheralltag. Wissenschaftler hantieren mit einzelnen Atomen und fügen sie zu Drähten oder winzigen Gruppen ("Cluster") zusammen. Dabei zeigt sich eine Facette der Nanotechnologie, die in der Allgemeinheit wenig bekannt ist: Grundlegende physikalische Eigenschaften eines Materials, wie Magnetismus, elektrische Leitfähigkeit oder chemische Reaktivität, ändern sich mit den Abmessungen. Macht man ein Stück Metall oder Halbleiterkristall also nur winzig genug, so treten oft Effekte auf, die sich nur noch mit den Gesetzen der Quantenwelt erklären lassen. Erst kürzlich gelang es einer Gruppe um Stefan Fölsch, den Übergang von der Quantenwelt atomarer Strukturen in die "normale" Welt makroskopischer Materialeigenschaften sichtbar zu machen. Die Wissenschaftler aus dem Paul-Drude-Institut (PDI) haben dazu einzelne Kupferatome auf einer kristallinen Kupferoberfläche zu Gruppen angeordnet und dann untersucht. Jérôme Lagoute, Xi Liu und Stefan Fölsch berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters*.

Atom für Atom fügten die Wissenschaftler zusammen und stellten fest, dass je nach Anzahl der Bausteine eine ganze Reihe von Quantenzuständen auftreten. Diese gehen schließlich in eine bereits bekannte und sehr allgemeine Oberflächeneigenschaft über, den so genannten Shockley-Oberflächenzustand: eine Art Elektronengas, das an der ausgedehnten Oberfläche lokalisiert ist. "Dieser zweidimensionale Zustand ist Lehrbuchphysik", sagt Stefan Fölsch, "neu dagegen sind unsere Erkenntnisse darüber, wie die Quantenzustände kleinster Strukturen in den Shockley- Oberflächenzustand übergehen." Die Forscher vermuten, dass dies nicht nur bei Kupfer der Fall ist, sondern auch bei anderen Metallen. Erstmals dokumentieren Wissenschaftler die physikalische Verknüpfung von Quantenzuständen atomarer "Cluster" mit Eigenheiten herkömmlicher Oberflächen.

Zur Manipulation der Atome nutzten die Wissenschaftler ein selbst gebautes Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop. Die Maschine dient zugleich dazu, die Messungen vorzunehmen. "Experimente auf dieser Ebene können nur wenige Arbeitsgruppen weltweit durchführen", berichtet Fölsch. Für baldige Anwendungen eignet sich die Methode allerdings nicht. "Wir arbeiten im Ultrahochvakuum mit sehr perfekten Oberflächen", erläutert der Wissenschaftler. Die Studien an derlei perfekten Systemen lieferten dennoch grundlegende Informationen. Fölsch sagt: "Wer einen Quantendraht aus einzelnen Atomen formt, der will natürlich wissen, welche elektronischen Eigenschaften der Draht hat und welche Dynamik die Elektronen in diesem eindimensionalen Objekt besitzen." Und wer versteht, wie sich die Eigenschaften von Gebilden aus einzelnen Atomen mit der Anzahl ihrer Bausteine ändern, der kommt dem ultimativen Ziel der Nanotechnologie näher: die magnetischen und elektronischen Materialeigenschaften maßzuschneidern, indem man ihre Größe, die Anordnung der Atome sowie die chemische Zusammensetzung exakt steuert.

*) Jérôme Lagoute, Xi Liu, Stefan Fölsch: "Link between adatom resonances and the Cu(111) Shockley surface state" , in Physical Review Letters 95, 30. September 2005, 136801-1 bis 4.

Bildunterschrift:
Das Bild zeigt die elektrische Ladungsverteilung eines "Clusters", einer Gruppe von nur wenigen Atomen (in diesem Fall Kupfer), die auf einer Oberfläche zu einem perfekten Dreieck zusammengefügt wurden. Links ist die gesamtheitliche Ladungsverteilung eines Clusters aus 15 Atomen zu sehen und rechts die Ladungsdichte eines spezifischen gebundenen
Quantenzustandes des gleichen Objektes. Abb.: PDI

Mehr zum Paul-Drude-Institut
Das Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) arbeitet auf dem Gebiet der Materialwissenschaften und der Festkörperphysik von niederdimensionalen Halbleitersystemen. Das atomar-kontrollierte Wachstum von III-V-Halbleitern mittels Molekularstrahlepitaxie bildet für das PDI die Grundlage für die Entwicklung neuer Materialien und Materialkombinationen. Diese werden eingesetzt, um Bauelemente für die Informationstechnik zu entwickeln. Schwerpunkte des Forschungsprogramms sind: Direkte Synthese von neuen niederdimensionalen Systemen und Nanostrukturen, Quantenkaskadenlaser, neue Halbleiter-Ferromagnet-Hybridstrukturen für die Informationsverarbeitung, Gruppe-III-Nitride für UV- bis IR-Emitter sowie dynamische Kontrolle der Elektronen, Photonen und des Spins durch akustische Oberflächenwellen. Alle diese Vorhaben sind von großer Bedeutung für die zukünftigen Technologien der Informationsgesellschaft.


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