Mikroskop-Sonde erspäht das Innerste der Metalle

Reflektierte Elektronenwellen offenbaren detaillierte Ursachen für Leitfähigkeit und Magnetismus

Fermi-Flächen
Fermi-Flächen

Jülich/Göttingen - So wie Ärzte mit Ultraschall in den menschlichen Körper schauen, offenbaren nun reflektierte Elektronenwellen wichtige Eigenschaften von Metallen. Mit der neuen Messmethode konnten Physiker der Universität Göttingen und vom Forschungszentrum Jülich einen Blick in das Innere von Kupferkristallen werfen. Wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, eignet sich ihr Verfahren, um typische Metalleigenschaften wie Leitfähigkeit oder Magnetismus besser verstehen und tief im Kristallgitter eingebaute Fremdatome aufspüren zu können.

"Die Überlagerung der einkommenden und ausgehenden Wellen ist so stark, dass sie mit dem Rastertunnelmikroskop an der Oberfläche als ringförmige Strukturen zu messen sind", beschreibt Samir Lounis vom Forschungszentrum Jülich die Funktionsweise der neuen Messmethode. Zusammen mit Kollegen vom 4. Physikalischen Institut der Universität Göttingen nutzten die Jülicher Forscher die Elektronen, die von der Spitze eines Rastertunnelmikroskops ausgesendet werden. Diese drangen in die Kupferprobe ein und breiteten sich im Metall wellenförmig aus. Gestreut und reflektiert wurden sie an wenigen, eingelagerten Kobaltatomen. Diese Signale wiederum ließen sich an der Oberfläche mit dem Mikroskop wieder auffangen und offenbarten detaillierte Einblicke in die elektronische Struktur des Metalls.

Aus diesen Signalen konnten die Wissenschaftler – unterstützt durch Simulationen auf dem Jülicher Supercomputer "Jump" – die so genannten Fermi-Flächen im Metall rekonstruieren. In diesen Grenzschichten zwischen gefüllten und unbesetzten Zuständen bewegen sich die energiereichsten Elektronen durch einen Metallkristall. "Die Fermi-Flächen geben den Metallen im eigentlichen Sinne ihre Persönlichkeit" sagt der Jülicher Forscher Stefan Blügel. Ihre Analyse erlaubt Rückschlüsse auf die Ursachen von elektrischer Leitfähigkeit, Magnetismus und Wärmekapazität.

Mit dieser "Nanosonar" getauften Methode erweitern die Forscher die Anwendungsmöglichkeiten von Rastertunnelmikroskopen deutlich. Bisher konnten diese Instrumente nur die Oberflächen von Materialproben mit atomarer Auflösung analysieren. Mit dem Blick ins Innere von Metallkristallen können die Materialeigenschaften nun genauer bestimmt und erklärt werden.