Energiedisspation auf Dirac- und 2D-Materialoberflächen

Energieübertragung- und verlust an Materialoberflächen bestimmen die Kinetik chemischer Reaktionen, die Effizienz neuer Technologien, Oberflächenreibung sowie das Wachstum von Materialien einschließlich Nanostrukturen. Im Rahmen des aktuellen Projekts soll ein tieferes Verständnis dafür gewonnen werden, wie Energieübertragung an neuartigen Materialoberflächen vonstatten geht, mit dem Schwerpunkt auf Dirac- und zweidimensionalen Materialien. Das erste Dirac-Material war Graphen, eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, gefolgt von den sogenannten topologischen Isolatoren und später von einer ganzen Klasse neuer zweidimensionaler Materialien und sogar Supraleitern. Die Entdeckung dieser Materialien ist so jung, dass viele grundlegende Fragen noch offen sind und ein großes Potenzial für die Entdeckung neuartiger physikalischer und chemischer Phänomene besteht, zusätzlich zu vielversprechenden technologischen Anwendungen dieser Materialien. Der erste Aspekt des Projekts konzentriert sich auf Energieüber tragung in diesen neuartigen Materialoberflächen und welche Rolle die Elektron-Phonon-Kopplung spielt: Elektronischer Transport, d. h. die Bewegung von Elektronen in einem leitenden Material ist an atomare Schwingungen, sogenannte Phononen, gekoppelt. Die Elektron-Phonon (E-Ph) Wechselwirkung an Oberflächen ist für Energieverluste beim Stromfluss verantwortlich, und ihr Verständnis ist daher von großer Bedeutung für zukünftige Technologien mit geringem Energieverbrauch. Sie bildet auch die Grundlage für konventionelle Supraleiter - dies sind Materialien, bei denen der elektrische Widerstand verschwindet, wenn diese unter eine bestimmte Temperatur gekühlt werden, wodurch elektrischer Strom verlustfrei fließen kann. In diesen supraleitenden Materialien vermitteln Phononen die erforderliche attraktive Wechselwirkung zwischen den Elektronen. Ein zweiter Aspekt des Projekts besteht darin, die Rolle von Energieübertragung - und verlust bei der Bewegung einzelner Moleküle an Oberflächen zu quantifizieren. Diese Bewe gung wird durch Energieübertragung zwischen dem Molekül und der Oberfläche, über welche es wandert, bestimmt. In Analogie zur makroskopischen Bewegung können Energieverluste in Form von Reibung auf atomarer Ebene quantifiziert werden. Eine zentrale Frage hierbei ist, auf welche Weise das sich bewegende Molekül, Energie an die Oberfläche abgibt: Dies bestimmt die Art der molekularen Bewegung sowie die Geschwindigkeit und Distanz, welche das Molekül zurücklegen kann. Messungen der Bewegung einzelner Moleküle an Oberflächen sind experimentell äußerst schwierig, und werden am Cambridge Atom Scattering Centre bei industriell relevanten Temperaturen durchgeführt. Mittels Untersuchung von Beispielsystemen aus verschiedenen Materialfamilien werden wir schließlich allgemeine Trends kennen lernen: Von welchen Faktoren die E-Ph- Wechselwirkung und Reibung auf atomarer Ebene bestimmt sind und deren Einfluss auf Energieverluste.