Hochkorrelierte niedrigdimensionale Systeme auf Metallen

Das grundlegende Problem bei der Entwicklung neuer, "intelligenter" Materialien ist die Kontrolle von Struktur und Eigenschaften. Kenntnis der mikroskopischen Wechselwirkungen auf atomarer Ebene ist die Voraussetzung für deren Steuerung. Das Zusammenspiel der mikroskopischen Wechselwirkungen führt auf der nächsten Ebene der Organisations-Hierarchie zur Ausbildung mesoskopischer Strukturen, die wiederum die makroskopischen Eigenschaften eines Materiales prägen. Für eine solche "bottom-up" Vorgehensweise bei der Entwicklung von Materialeigen-schaften sind niederdimensionale elektronische Systeme besonders geeignet. Diese Systeme sind durch ein empfindlich austariertes Gleichgewicht unterschiedlicher Wechselwirkungen auf atomarer Skala charakterisiert. Elektronen sind in niedrigdimensionalen Systemen wesentlich stärker vom Verhalten ihrer "Artgenossen" abhängig als in dreidimensionalen Festkörpern (Elektron-Elektron-Korrelation). Daher können kleine Änderungen in der Zusammensetzung oder der Temperatur zu einem Metall-Isolator (Mott-) Übergang führen. Solche Systeme sind z.B. für einen Einsatz als elektronische Schalter in Sensoren von Interesse. Die starke Wechselwirkung der Elektronen in niedrigdimensionalen Systemen führt in der Regel auch zur Ausbildung einer ungewöhnlichen magnetischen Ordnung. Diese wiederum beeinflusst den Stromtransport. Durch externe Magnetfelder kann die magnetische Ordnung und damit die Leitfähigkeit solcher Materialien dramatisch verändert werden ("giant magneto-resistance"). Dieser Effekt wird zum Auslesen magnetisch gespeicherter Information verwendet. Ein weiteres Charakteristikum niederdimensionaler Systeme ist die starke Kopplung zwischen Elektronen und Gitterschwingungen. Im Extremfall wird die Kopplung so stark, dass es zu spontanen, wohldefinierten Strukturveränderungen im Material kommt (Peierlsverzerrung, Ladungs-dichtewellen). Der besondere Reiz niedrigdimensionaler Systeme auf Metalloberflächen liegt in der Tatsache, dass die aufgezählten Wechselwirkungen durch die Zugabe kleinster Mengen chemischer "Verunreinigungen" gezielt gesteuert werden können. Im vorangegangenen Projekt wurde die Adsorption von Halogenen untersucht. Dabei wurde entdeckt, dass die Halogene auf Platin spontan eine geordnete eindimensionale Halogen-Platin-Verbindung ausbilden, die es in der Tat gestattet, sie mit kleinsten Zusätzen von Fremdatomen zwischen verschiedenen Strukturen hin- und herzuschalten. Das gegenständliche Projekt ist der ausführlichen Untersuchung dieses Systems gewidmet, insbesondere der gezielten Steuerung seiner Materialeigenschaften. Aufgrund einiger auffälliger Parallelen zwischen dem Halogenid und den Hochtemperatursupraleitern besteht die begründete Hoffnung, aus den geplanten Untersuchungen auch Neues über die Physik dieser noch immer schlecht verstandenen Art der Supraleitung zu lernen.

In den letzten Jahren kam es zur Entdeckung neuer Materialien mit äußerst interessanten neuartigen Eigenschaften, z.B. Hochtemperatur-Supraleitung, das heißt verlustlose Leitung des elektrischen Stromes schon bei mäßiger Kühlung oder kolossaler Magnetowiderstand, d.h. extrem starke Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von äußeren Magnetfeldern. Diese neuartigen Eigenschaften beruhen auf einem nicht-metallischen Verhalten der Elektronen. In normalen Metallen können sich die Elektronen unabhängig voneinander bewegen. In den genannten neuartigen Materialien ist das nicht der Fall, vielmehr stimmen dort die Elektronen ihre Bewegungen aufeinander ab wie die Tänzer eines klassischen Balletts. Jede Bewegung eines Elektrons wird von den anderen in einer genau abgestimmten (korrelierten) Weise beantwortet. Wie allerdings diese Abstimmung im Einzelnen erfolgt, ist noch nicht genau verstanden. Daher zählt z.B. die Hochtemperatur-Supraleitung bis heute zu den noch ungelösten Rätseln der Materialwissenschaft. Das vorliegende Projekt untersucht diese wechselseitige Abhängigkeit der Elektronen voneinander in einem Material, wo eine solche Abhängigkeit voraussetzungsgemäß eigentlich gar nicht erwartet wird: in Metallen. Unter bestimmten Umständen ist die Bewegung einiger Elektronen nämlich auf die Metalloberfläche eingegrenzt. Wird die Oberfläche nun in einer solchen Weise nanostrukturiert, dass diese Elektronen nur in einer bestimmten Richtung laufen können, dann können sie nicht umhin, selbst im Metall ihre Bewegung aufeinander abzustimmen, sich sozusagen einer gemeinsamen Choreographie zu unterwerfen. Man stelle sich einen jungen Mann und ein hübsches Mädchen vor, die auf dem Markusplatz flanieren. Nur allzu leicht werden sie einander in der Menge verfehlen und sich nie kennenlernen. Regelt nun allerdings die Polizei den Fußgängerstrom durch Barrieren, sodass man sich nur auf schmalem Pfad über den Platz bewegen kann, so werden die Beiden sich mit Sicherheit begegnen. Kein Zweifel - zur rechten Zeit am rechten Ort kann eine solche Begegnung nur dazu führen, dass aus den Beiden ein junges Paar wird. Vorbei ist das unabhängige Schlendern, nur noch gemeinsam werden sie sich durch die Stadt bewegen. Dies ist in groben Zügen eine Analogie zum Paarbildungsprozess, den Elektronen mit entgegengesetztem Spin durchlaufen um so die Supraleitung in den Hochtemperatur-Supraleitern herbeizuführen. Im vorliegenden Projekt haben wir die für den geschilderten Prozess nötige eindimensionale Nanostruktur der Oberfläche mit Hilfe eines Selbststrukturierungs-Prozesses erzeugt. Es ist gelungen, die Korrelation der Elektronen an derartigen Metalloberflächen tatsächlich nachzuweisen und die Stärke der Korrelation zwischen den Elektronen sowohl durch Änderung der Temperatur als auch durch Fremdatome oder Moleküle an der Oberfläche zu variieren. Insbesondere legen die Ergebnisse nahe, dass es möglich ist, die Oberfläche von Platin magnetisch zu ordnen, obwohl bisher angenommen wurde, dass dies nicht der Fall sei. Die Ergebnisse vertiefen das Verständnis der Korrelation von Elektronen und können möglicherweise dazu beitragen, u.a. Materialien mit noch höherer Supraleitungstemperatur zu entwickeln oder die Empfindlichkeit zur Detektion magnetischer Felder noch weiter zu steigern.