Oberflächenphysik

Wie Elektronen in Metallen fließen, sich gegenseitig beeinflussen, mit Atomen in Wechselwirkung stehen und was das für unsere Zukunft bedeuten kann.

Physiker Matzdorf sucht heute in den Nanostrukturen an der Oberfläche von Metallen nach den Grundlagen der Theorien von morgen.

„Wir haben es nun mit einem Wechselspiel von unglaublich vielen Elektronen zu tun, die sich alle gegenseitig beeinflussen. Selbst die größten Computer, die es heute gibt, können dieses Verhalten nicht berechnen,“ sagt Matzdorf. Obwohl die Physiker glauben, die grundlegenden Gleichungen zu kennen, können sie diese in der Festkörperphysik nicht anwenden, um die Eigenschaften eines Metalls zu berechnen, weil es einfach zu viele Atome sind. Sie helfen sich durch Vereinfachungen, um trotzdem etwas berechnen zu können wie zum Beispiel die Bandstruktur. Diese gibt an, mit welcher Energie und Wellenlänge sich Elektronen in bestimmten Kristallrichtungen durch das Metall bewegen können. In der Berechnung werden aber die Wechselwirkungen der Elektronen untereinander und mit den Schwingungen des Kristallgitters weitgehend vernachlässigt. „Aber eben durch diese vielfach notwendigen Vereinfachungen,“ sagt Matzdorf, „werden die interessantesten Effekte völlig ignoriert. Deshalb sind in der Festkörperphysik die experimentellen Entdeckungen dem theoretischen Verständnis weit voraus.“

„Obwohl alle Effekte auf denselben Grundgleichungen basieren, brauchen wir für jeden Effekt in der Festkörperphysik eine eigene Theorie, die das jeweils Wesentliche berücksichtigt, es aus dem Ganzen herausschneidet. Eine zu umfassende Theorie würde zu Gleichungen führen, die auf den heute zur Verfügung stehenden Großrechnern nicht gelöst werden könnten. Wollen die Wissenschaftler bestimmte Materialeigenschaften vorhersagen oder experimentelle Ergebnisse verstehen, müssen sie die Komplexität der Theorie an die zur Verfügung stehende Rechenkapazität anpassen, um nach einigen Wochen oder Monaten Rechenzeit zu einem Ergebnis zu kommen,“ sagt Matzdorf.

Diese passend zugeschnittenen Theorien fehlen aber noch für die experimentell neu entdeckten Effekte. Vor etwa 20 Jahren entdeckten beispielsweise Bednorz und Müller die Hochtemperatur-Supraleitung (Nobelpreis 1987). Sie fanden Supraleitung in keramischen Metallen bei Temperaturen um 90 Kelvin (minus 183°C), während die bis dahin höchste Temperatur, bei der Supraleitung beobachtet wurde, 23 Kelvin (minus 250 °C) betrug. Obwohl seitdem mehrere hundert Physiker weltweit an diesem Effekt forschen, ist bis heute keine Theorie gefunden worden, die das Phänomen zufriedenstellend erklärt. Die Forscher vermuten, dass ein komplexes Zusammenspiel sowohl der Elektronen untereinander, als auch mit einer bestimmten magnetischen Ordnung zu dem Effekt führt. Doch das ist eine Vermutung, eine Annahme.

„Das Wesentliche eines bestimmten Effektes zu identifizieren,“ darum geht es Matzdorf bei seinen Experimenten an Oberflächen von Metallen: „Wenn wir als Experimentalphysiker es schaffen, alle wesentlichen Beiträge zu einem bestimmten Phänomen zu identifizieren, dann können die Theoretiker eine darauf zugeschnittene Theorie aufstellen.“ Wenn dann die Theorie entworfen ist, soll sie den Weg zu maßgeschneiderten Materialien für bestimmte Anwendungen weisen. Dieser intelligente Weg zum besten Material ist sicher erfolgreicher als das Suchen unter allen möglichen Materialien.

Die experimentellen Techniken, die in der Arbeitsgruppe von Matzdorf eingesetzt werden, sind die Photoelektronenspektroskopie und die Rastertunnelmikroskopie. Mit beiden Methoden untersucht er das Verhalten der Elektronen in den obersten Atomlagen eines Metalls und fokussiert sein Interesse auf das Wechselspiel der Elektronen untereinander und auf die Wechselwirkung der Elektronen mit den Schwingungen der Atome. Die Oberfläche des Metalls ist ideal zu untersuchen, da hier die Möglichkeit besteht, die Umgebung der Atome zu verändern und die Reaktion der Elektronen darauf zu studieren. Die Untersuchung an und in der Oberfläche offenbart vieles von dem komplexen Zusammenspiel, sowohl im Innern des Materials, als auch in dünnen Schichten und in Nanostrukturen, die auf der Oberfläche erzeugt werden können. Die Möglichkeit, neue, maßgeschneiderte Materialien unter bestimmten Umständen sogar in geeigneten Nanostrukturen herzustellen, bietet die faszinierende Aussicht, ungeahnte Effekte zu entdecken und in Zukunft für Anwendungen nutzbar zu machen.

Nanostrukturen, das heißt Objekte mit einer Ausdehnung von nur wenigen millionstel Millimetern, sind schon relativ groß, wenn es um die Quantennatur der Elektronen geht. Elektronen verhalten sich in Atomen, Molekülen und Festkörpern wie eine Welle mit Wellenlängen im Nanometer- und Subnanometerbereich. Wenn die Ausdehnung eines Objektes mit der Wellenlänge der Elektronen vergleichbar ist, dann treten Quanteneffekte auf, wie die Tatsache, dass Energie nur noch „Paketweise“, also in Energiequanten, aufgenommen und abgegeben werden kann. Die Größe von Atomen und kleinen Molekülen sowie der Abstand der Atome in einem Festkörper liegen im Bereich von 0,5 Nanometern. Während dort fast ausschließlich Quanteneffekte beobachtet werden, liegen die Nanostrukturen vor allem im Übergangsbereich zwischen der makroskopischen Welt, die durch die Klassische Physik beschrieben wird, und der mikroskopischen Welt, die die Physiker mit der Quantenmechanik beschreiben. Durch Methoden mit denen heute immer kleinere Strukturen etwa auf Mikrochips hergestellt werden, dringen die Wissenschaftler immer tiefer in die Quantenwelt vor. Auch die Natur selbst bietet die Möglichkeit, Strukturen im Nanometerbereich herzustellen wie zum Beispiel große Moleküle, Biomoleküle oder nanostrukturierte Festkörperoberflächen, die unter bestimmten Umständen durch Selbstorganisation entstehen.Physiker, Ingenieure und andere Naturwissenschaftler sehen sich herausgefordert, neben den Eigenschaften eines Materials zusätzlich Quanteneffekte auszunutzen, um bestimmte Anwendungen zu realisieren. Im wissenschaftlichen Zentrum CINSaT an der Universität Kassel haben sich Wissenschaftler aus Physik, Chemie, Biologie und den Ingenieurswissenschaften zusammengeschlossen, um interdisziplinär im Bereich der Nanostrukturwissenschaften zu forschen.

„Die Natur hat sich Nanostrukturen schon vor Jahrmillionen zu Nutze gemacht und damit die Entstehung von Leben ermöglicht.“ sagt Matzdorf. Die Datenspeicherung in Form von Genen auf der DNA würden wir heute als Nanospeicher bezeichnen. Jede Zelle hat „Nanomaschinen“, um diese Speicher auszulesen und andere Moleküle wie Proteine nach dem dort gespeicherten Bauplan herzustellen. „Wenn wir es schaffen uns die Nanowelt technisch zu erschließen und hierzu vielleicht sogar von der Biologie einiges abzuschauen, dann stehen uns, der Menschheit, in der Zukunft ungeahnte Möglichkeiten offen,“ sagt Matzdorf.

Autor: Claus-Peter Müller - v. d. Grün

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