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Forschungsarbeit

Wie man Festkörpern die Geheimnisse entlockt

von Carola Straßer (14.01.2011)

Stellt man sich als Aufgabe neue Materialien und Festkörper zu untersuchen, so gestaltet sich die eigene Entdeckungsreise, wie vielleicht in ein unbekanntes Land, aus verschiedenen Gründen etwas schwierig. Die beste Alternative wäre, sich mit den Bewohnern des Landes direkt zu unterhalten. Dazu müsste man nur die „Bewohner des Festkörpers“ - die Elektronen - herauslocken und sie befragen bzw. nach verschiedenen Kriterien sortieren. Wenn dies gelingt, kann man mit Hilfe der Elektronen einige Geheimnisse über das Innerste der verschiedensten Festkörper enthüllen.

Um Elektronen aus einem Festkörper untersuchen zu können, bedient man sich des photoelektrischen Effekts. Aus einer geeigneten Lichtquelle treffen Photonen auf die Oberfläche des zu untersuchenden Materials. Durch Abgabe ihrer Energie können sie Elektronen anregen und sogar aus dem Festkörper heraus ins Vakuum heben. Diese austretenden Elektronen werden auf einen Analysator hin beschleunigt und passend abgelenkt, sodass sie nach verschiedenen Kriterien, wie zum Beispiel kinetische Energie, Winkel oder Eigendrehimpuls (Spin), sortiert gemessen werden. 

Auf diesem Prinzip beruht die winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (kurz ARPES von engl. angular resolved photoelectron spectroscopy). Sie ist eine der wichtigsten Methoden, um die elektronische Struktur der Oberfläche eines Festkörpers zu untersuchen. Mit ihr lassen sich viele Eigenschaften von Festkörpern charakterisieren. Eine schematische Darstellung ist in Abbildung 1 gezeigt.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie.[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 1: Schematische Darstellung der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie.

Im Rahmen des Studienganges FOKUS Physik an der Universität Würzburg ist es möglich, Praktika und Abschlussarbeiten extern an diversen Max-Planck-Instituten (MPI) in ganz Deutschland zu absolvieren.

Diese Chance habe ich genutzt und fertige derzeit meine Masterarbeit am MPI für Festkörperforschung in Stuttgart an. Das Hauptaugenmerk meiner Arbeitsgruppe dort liegt auf Effekten der Spin-Bahn-Kopplung in niedrigdimensionalen Elektronensystemen, die verstärkt an Oberflächen auftreten und deshalb besonders gut mit ARPES untersucht werden können.

In einem gewöhnlichen ARPES-Labor kommt meist eine Photonenquelle zum Einsatz, die Photonen mit nur einer oder vielleicht mit zwei verschiedenen diskreten Energien liefert. Deshalb nutzen viele Wissenschaftler in diesem Gebiet die Möglichkeit, sich für eine Messzeit an einer Beamline eines Synchrotrons zu bewerben. Bei einem Synchrotron handelt es sich um einen ringförmigen Teilchenbeschleuniger, in dem Elektronen auf sehr hohe, relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt und mit Hilfe von Magneten auf einer geschlossenen Bahn gehalten werden. Durch die Beschleunigung der Elektronen entsteht Synchrotronstrahlung, die für Experimente genutzt werden kann. Entlang dem Ring gibt es immer wieder Stationen, an denen ein Teil dieser Strahlung gerade herausgelenkt wird. An einer sogenannten Beamline können dann verschiedene Experimente stattfinden. Der Vorteil dieser Photonenquelle ist, dass dort das komplette Spektrum der Synchrotronstrahlung vom Infrarotbereich bis zu weicher Röntgenstrahlung für die Messungen zur Verfügung steht.

Da die Möglichkeit für eine Messzeit nur ungefähr ein- bis zweimal im Jahr besteht, ist die Zeit dort sehr wertvoll und gleichzeitig sehr begrenzt. Um sie möglichst gut nutzen zu können, wurde schon im Voraus ein genauer Arbeitsplan mit teilweise 16 Arbeitsstunden pro Tag erstellt. Zusätzlich wird natürlich versucht, auf die schon gemessenen Ergebnisse zu reagieren und Schwerpunkte zu setzen. Insgesamt ist eine Messzeit also ein sehr anstrengendes Ereignis. Wenn man es jedoch überstanden hat, und hinterher mit aufregenden Ergebnissen belohnt wird, überwiegt auf jeden Fall die positive Seite.  

Meine Arbeitsgruppe bekam dieses Jahr die Genehmigung für eine dreiwöchige Messzeit am Synchrotron Radiation Center in Wisconsin, U.S.A. und ich durfte dabei sein. Die Systeme, die wir dort untersuchen wollten, waren Oberflächenlegierungen auf der Silber(111)-Oberfläche. Diese sind bekannt für eine sehr große Rashba-artige Spinaufspaltung [1].

Abbildung 2: Rashba-artige Spinaufspaltung.[Bildunterschrift / Subline]: Abbildung 2: Rashba-artige Spinaufspaltung.

Unter dem Rashba-Effekt versteht man das Phänomen, dass die Spinentartung in den Bändern durch fehlende Inversionssymmetrie und gleichzeitig starker Spinbahnwechselwirkung aufgehoben wird, und somit für je eine Spinsorte ein Band entsteht. Für die Beschreibung dieses Effekts geht man von dem freien Elektronengasmodell aus und fügt die Rashba-Bychkov-Hamiltonfunktion hinzu. Daraus erhält man für die Banddispersion zwei Parabeln (siehe Abbildung 2), die um einen bestimmten Impulsbetrag  von der ursprünglichen Position verschoben sind [2]. Dieser charakteristische Verlauf lässt sich sehr gut mit ARPES messen.

Das Überraschende an den Oberflächenlegierungen ist, dass unerwartet wenig schwere Atome mit einer großen Spin-Bahn-Wechselwirkung notwendig sind, um eine derart große Spinaufspaltung zu erzielen.

Eine zusätzliche Besonderheit der von uns benutzten Beamline ist, dass man dort die Polarisation der Strahlung einstellen kann. Unsere Idee war, zu untersuchen, ob die gemessenen Intensitäten der Bandstruktur im Zusammenhang mit der Photonenpolarisation stehen. Ziel ist es, die Zusammensetzung des Orbitalcharakters in den einzelnen Bändern besser zu verstehen. Dazu haben wir die Wismut- und die Antimon-Oberflächenlegierung jeweils auf Silber (111) mit allen möglichen Polarisationen untersucht.

Insgesamt ist der Mechanismus der Anregung von Elektronen sehr kompliziert. Deshalb muss jetzt versucht werden, über Berechnungen der Übergangsmatrixelemente die komplexen Vorgänge bei Anregung mit unterschiedlichen Polarisationen zu verstehen.

Alles in allem war die Messzeit eine anregende Erfahrung mit viel Spannendem und Neuem für mich als Masterstudentin. Ich habe damit die Chance erhalten, einen Einblick in die Arbeit an einem Synchrotron zu bekommen und zu sehen, wie man mit Hilfe der Elektronen Festkörpern ihre Geheimnisse entlockt.  

Literaturnachweis:

[1] C.R.Ast et al., PRL 98, 186807 (2007).

[2] Bychkov and Rashba, JETP Lett. 39, 78 (1984).

 


Carola Straßer
Carola Straßer
* 1987, Lauingen (Donau)

Stationen
  • voraussichtlich Dezember 2010
  • Master of Science
  • Seit Dezember 2009
  • Masterarbeit am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung Stuttgart
  • November 2009
  • Bachelor of Science in Physik
  • Seit Oktober 2008
  • FOKUS Physik Masterstudium an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg
  • Oktober 2006 – November 2009
  • Studium an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg FOKUS Physik
  • 1997 - 2006
  • St. Bonaventura Gymnasium, Dillingen, Abschluss: Abitur
  • 1993-1997
  • Volksschule Wittislingen

Praktika
  • Sommer 2009
  • Sechswöchiges Praktikum am Max- Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart
  • Frühjahr 2009
  • Sechswöchiges Praktikum am Institut für Theoretische Physik und Astrophysik an der Universität Würzburg mit anschließender Bachelorarbeit