Oberflächenphysik

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

Die Grundlagen zu schaffen, um neu entdeckte physikalische Effekte besser zu verstehen und Möglichkeiten aufzuzeigen, diese Effekte für Anwendungen nutzbar zumachen: Darum und dafür forscht Professor Dr. René Matzdorf an der Universität Kassel. Er beschäftigt sich mit Metallen und untersucht, wie sich die Elektronen darin verhalten. Die Elektronen bestimmen die elektrischen Eigenschaften eines Materials und bieten in einigen Fällen faszinierende Eigenschaften wie die Supraleitung. „Oft wird angenommen, in der Physik sei das Meiste verstanden. Aber dem ist nicht so“, sagt Matzdorf. Als Beispiel führt er sein Arbeitsgebiet an, die Festkörperphysik. Wenn sich Atome zu einem Metall zusammenfügen, wie zu einem Stück Kupferdraht (17 cm lang und 3 mm stark), hat man es mit etwa 100.000.000.000.000.000.000.000 Atomen zutun, die sehr regelmäßig wie in einem Kristall angeordnet sind. Jedes Atom gibt ein Elektron ab, das sich weitgehend frei durch das Metall bewegt und zum Beispiel elektrischen Strom transportieren kann. Ein Strom fließt nur, wenn eine Spannung anliegt, aber die Elektronen bewegen sich auch ohne Strom im Draht.

Ein Wechselspiel von unglaublich vielen Elektronen

Elektronen, die sich als Welle entlang eines Sauerstoff-Nanostreifens bewegen

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.

Die Supraleitung wurde erst ein halbes Jahrhundert nach ihrer Entdeckung verstanden

Kristallstruktur des unkonventionellen Supraleiters
Modell für die Kristallstruktur des unkonventionellen Supraleiters Sr2RuO4

Als Beispiel nennt der Physiker die Supraleitung. Sie wurde 1911 entdeckt, aber erst ein halbes Jahrhundert später von Bardeen, Cooper und Schrieffer (Nobelpreis 1972) theoretisch verstanden. Die drei Wissenschaftler beschrieben das komplizierte Zusammenspiel der Elektronen in einem Metall mit den Schwingungen der Atome, das bei Temperaturen von nur wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt der Temperatur (minus 273°C) zu einem völlig verlustfreien Stromtransport führt. Um diesen Effekt theoretisch in den Griff zu bekommen, entwickelten sie eine Theorie, die über die üblichen Vereinfachungen hinausgeht und die Wechselwirkung der Elektronen mit den Schwingungen der Atome einbezieht. Durch dieses Zusammenspiel werden zwei Elektronen ganz zart aneinander gebunden, die sich nun gemeinsam durch das Metall bewegen und dies auch noch im Gleichtakt mit allen anderen Elektronen. 

Oberfläche des unkonventionellen Supraleiters Sr2RuO4 in einem Ausschnitt von 10 mal 10 nm

Jeder Effekt braucht seine eigene Theorie

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 nichtgelöst 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 neuentdeckten Effekte. Vor etwa 20 Jahren entdeckten beispielsweise Bednorz und Müllerd 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.

Die Experimentalphysiker gehen den Theoretikern voran

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 Materialist sicher erfolgreicher als das Suchen unter allen möglichen Materialien.

Photoeletronenspektroskopie und Rastertunnelmikroskopie

Rastertunnelmikroskopische Aufnahme einer Cu(110) Oberfläche mit Sauerstoff-Nanostreifen. Die durch Selbstorganisation gebildeten sind hier 2 bzw. 3 nm breit

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.

Selbst Nanostrukturen sind groß, wenn es um die Quantennatur der Elektronen geht

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.

Matzdorf misst bei minus 270 Grad Celsius

Ultrahochvakuumapparatur in der ein Rastertunnelmikroskop bei -269°C betrieben wird

Als Mitglied von CINSaT führt Matzdorf Messungen an einzelnen Nanoobjekten durch. Mit der Rastertunnelmikroskopie lassen sich nicht nur die Strukturen einzeln abbilden, sondern es können sogar die Elektronen in einem einzelnen Objekt spektroskopiert werden. Dies ist ein großer Vorteil dieser Methode, da bei anderen Methoden nicht am einzelnen Nanoobjekt gemessen wird, sondern an vielen Millionen, teils unterschiedlichen Nanoobjekten gleichzeitig gemessen wird, um überhaupt ein Meßsignal von diesen kleinen Objekten zu erhalten. Die Messergebnisse sind dann aber viel unspezifischer, da sie nur den Durchschnitt über das Ensemble beobachteter Nanoobjekte liefern. Um zu erreichen, dass die Messspitze des Rastertunnelmikroskopes mehrere Minuten über einem einzelnen Atom positioniert werden kann, sind tiefe Temperaturen und eine hervorragende Schwingungsdämpfung erforderlich. In der Arbeitsgruppe von Matzdorf wird dazu ein Mikroskop betrieben, das auf einem 50 Tonnen schweren Fundament moniert ist und bei minus 270°C arbeitet. Hiermit konnte bereits die Quantennatur der Elektronen in verschiedenen Nanostrukturen abgebildet und vermessen werden. Matzdorf plant ferner, in Zusammenarbeit mit Chemikern und Biologen die Elektronen in einzelnen großen Molekülen zu untersuchen.

Die DNA als Nanospeicher

"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 Menscheit, in der Zukunft ungeahnte Möglichkeiten offen,“ sagt Matzdorf.



Ansprechpartner

Professor René Matzdorf

Anschrift Universität Kassel
Fachbereich 10 Naturwissenschaften & Mathematik
Institut für Physik
Heinrich-Plett-Straße 40
34132 Kassel
Raum Raum 1164
Telefon +49 561 804-4772
Telefax +49 561 804-4518
Bild von Professor René  Matzdorf