Exotische Oberflächen

Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, die Eigenschaften von neuartigen, exotischen Oberflächen zu verstehen. Hierfür plant der Bewerber einen Forschungsaufenthalt in der Dauer von 24 Monaten an der Universität Cambridge in der Forschungsgruppe von Dr. William Allison. Diese Forschungsgruppe betreibt als weltweit einzige Gruppe ein Helium-3 Spin-Echo Spektrometer, welches Energieänderungen auf bis zu 20 neV genau aufzulösen vermag. Spin-Echo Messungen am Halbmetall Bi(111) und am topologischen Isolator PbBi 2 Te4 (111) werden Daten liefern die essentiell für die Entwicklung neuer theoretischer Ansätze sind, um die grundlegende Atom-Oberflächen Wechselwirkung auf Halbmetallen und topologischen Isolatoren zu verstehen. Insbesondere liefert die Spin-Echo Methode als einzige experimentelle Technik hochaufgelöste Daten, welche die direkte Bestimmung der modenspezifischen Elektron-Phonon Wechselwirkung erlauben. Außerdem stellt die mögliche Beobachtung eines akustischen Oberflächenplasmons, in einem Energiebereich der für keine andere experimentelle Technik zugänglich ist, einen äußerst interessanten Aspekt dar. Basierend auf der Analyse der Spin-Echo Messungen soll ein theoretisches Modell für die He-Bi(111) Interaktion entwickelt werden, welches auch für andere Halbmetalle adaptiert werden kann. In einer zusätzlichen Rückkehrphase von 12 Monaten am Institut für Experimentalphysik der TU Graz, wird der Bewerber das in Cambridge erworbene Wissen und die Anwendung für das He-Bi(111) System weiterentwickeln. Vor allem sollen die in Cambridge gemessenen Daten des He-PbBi 2 Te4 (111) Systems interpretiert werden. Diese Daten dienen in erster Linie der Ermittlung eines geeigneten Atom-Oberflächen Wechselwirkungsmodells für topologische Isolatoren. Schlussendlich wird der Einfluss von auf Bi(111) adsorbiertem atomaren Wasserstoff unter dem Titel "Das Leichteste auf dem Schwersten" experimentell untersucht werden. Während das Verständnis des Muster-Halbmetalls Bismut insbesondere im Hinblick auf topologische Isolatoren und das Gebiet der Spintronik interessant ist, gelten topologische Isolatoren selbst als vielversprechende Kandidaten für mögliche Anwendungen in der Spintronik und für die Realisierung von Quantencomputern. Dabei sind Halbmetalle trotz ihrer Bedeutung, insbesondere im Bereich der topologischen Isolatoren, bis jetzt noch nicht mithilfe von Heliumstreuung untersucht worden. Dies liegt wohl an ihrer intrinsischen Komplexität, gekennzeichnet dadurch, dass deren Oberflächen leitend sind (sogar supraleitend) und gleichzeitig eine große Korrugation aufweisen. In Kombination mit der weltweit einzigartigen experimentellen Anlage in Cambridge wird die Kompetenz des Bewerbers in Zusammenhang mit Heliumstreuung an diesen Oberflächensystemen zu einem neuen grundlegenden Verständnis dieser vielversprechenden Materialien führen. Fortwährende Kooperation mit der Universität Cambridge wird für permanenten Wissensaustausch und die Durchführung gemeinsamer Experimente sorgen.

Zielsetzung dieses Projekts war die Wechselwirkung von neuartigen Materialoberflächen, sogenannte Halbmetalle und topologische Isolatoren zu untersuchen. Hierzu verbrachte der Stipendiat einen zweijährigen Forschungsaufenthalt am Cavendish Laboratory der University of Cambridge gefolgt von einer einjährigen Rückkehrphase an der Technischen Universität Graz. Im Folgenden sollen zwei der Hauptergebnisse genannt werden, weitere Details können dem genauen Bericht entnommen werden.Eine der Hauptanwendungen für die Materialklasse der topologischen Isolatoren ist oberflächendominierter Elektronentransport - die Leitung von Strom an der Oberfläche des Materials. Die Bewegung von Elektronen in einem Material erfolgt nicht völlig frei sondern kann durch Streuung an schwingenden Atomen (Phononen) behindert werden. Diese Gitterschwingungen oder Phononen sind bei Raumtemperatur stets vorhanden. Wie stark die Elektronen durch die Phononen beeinflusst werden, wird mithilfe eines bestimmten Parameters, der Elektron-Phonon Kopplung ? beschrieben und kann je nach Material unterschiedlichste Großen besitzen. Im Zuge des Schrödingerstipendiums konnte der Stipendiat eine neue Methode entwickeln um diese Elektron-Phonon Kopplung experimentell zu bestimmen. Erste Ergebnisse für einen topologischen Isolator (Bi2Te3) zeigen, dass die Elektron-Phonon Kopplung in diesem Material eher schwach ist. Das bedeutet wiederum im Hinblick auf eventuelle Anwendungen, dass dieses Material besonders geeignet für die Entwicklung schnell schaltender Elektronikbauteile ist.Des weiteren gelang es dem Stipendiaten zum ersten Mal die mikroskopische Diffusion (Bewegung) von Wasser auf dem Halbmetall Graphene im Experiment zu beobachten. Im mikroskopischen Maßstab bewegt/hüpft das Molekül entlang der Oberfläche, wobei aufgrund der Temperatur der Oberflache genügend Energie für diese Bewegung zur Verfügung gestellt wird. Im Gegensatz zu der Bewegung von Wassermolekülen auf Metallen ist die Bewegung auf dem Halbmetall Graphene von der Wechselwirkung zwischen den einzelnen Wassermolekülen stark beeinflusst. Dies liegt vermutlich an der hydrophoben (wassermeidenden) Eigenschaft der Graphenoberfläche. Dabei zeigt sich, dass die Wassermoleküle unter bestimmten Bedingungen einander meiden - es herrscht eine abstoßende Wechselwirkung zwischen den einzelnen Wassermolekülen. Die Erklärung hierfür liegt im elektrischen Dipolmoment des Wassers. In Analogie zum magnetischen Dipolmoment, kann man sich dies bildlich gesprochen so vorstellen als ob jedes der Wassermoleküle ein kleiner Magnet wäre: Bei gleicher Ausrichtung stoßen sich diese voneinander ab.