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12.01.2012

Gefangene Elektronen an der Oberfläche eines Freien-Elektronen-Metalls

PRL Editor's Suggestion

Elektronen bleiben unter bestimmten Bedingungen umso länger an der Oberfläche eines Metalls lokalisiert, je stärker sie an das Volumen des Metalls gekoppelt sind.

Diese verblüffende Entdeckung, die Matthias Winter im Rahmen seiner Doktorarbeit in der von Prof. Ulrich Höfer geleiteten Marburger Arbeitsgruppe Oberflächenphysik machte, und die theoretische Erklärung dafür, wurde kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und von den Herausgebern als "Editor's Suggestion" ausgewählt. Physical Review Letters publiziert jede Woche etwa 50 aktuelle Arbeiten aus allen Teilgebieten der Physik. Mit der "Editor's Suggestion" empfehlen die Herausgeber einige wenige Publikationen für Physiker aller Disziplinen zur Lektüre. Diese sollen nicht nur interessant und wichtig sein, sondern die Ergebnisse auch hinreichend verständlich vermitteln.

Konkret berichtet die Arbeit von Winter, Höfer und ihrem Kooperationspartner Chulkov vom Donostía International Physics Center in San Sebastián, Spanien, über die Untersuchung von Bildpotentialzuständen an einer Aluminiumoberfläche mit der zeitaufgelösten Zwei-Photonen-Photoelektronenspektroskopie. Bildpotentialzustände sind besonders einfache elektronische Zustände, die an der Oberfläche vieler Metalle existieren und wie die Quantenzustände des Wasserstoffatoms eine Rydbergserie ausbilden. Sie lassen sich auch theoretisch genau beschreiben und eignen sich daher gut, um fundamentale Fragen des Elektronentransfers zwischen dem Volumen eines Festkörpers und seiner Grenzfläche zu untersuchen. Im Fall von Al(100) ist die komplette Serie der Bildpotentialzustände mit den elektronischen Zuständen des Volumens energetisch entartet. Für so einen Fall ist man bisher davon ausgegangen, dass Elektronen, die in die einzelnen Oberflächenzustände angeregt werden, so schnell ins Volumen zerfallen, dass man gar nicht mehr von einzelnen Quantenzuständen sprechen kann, d. h. die einzelnen Resonanzlinien zu einer einzigen breiten Struktur verschmieren. Tatsächlich findet man aber, dass nur die am stärksten ans Metall gebundene Resonanz mit der Quantenzahl n = 1 unterdrückt wird. Die Elektronen gelangen in weniger als einer Femtosekunde (10-15 s) ans Metall. Die Resonanzen mit den Quantenzahlen n = 2, 3, 4, 5 können dagegen gut als einzelne Peaks in den Spektren identifiziert werden. Die quantenmechanische Aufenthaltswahrscheinlichkeit dieser weniger stark gebundenen Elektronen nimmt an der Oberfläche zunächst zwar ähnlich schnell ab wie die der (n=1)-Resonanz. Es gibt aber für vergleichsweise lange Zeiten von mehreren hundert Femtosekunden nach der Anregung immer noch eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, das Elektron an der Oberfläche vorzufinden.

Dieser Effekt, dass einzelne Resonanzen einer Serie trotz starker Kopplung an ein Kontinuum ihre Eigenfrequenz beibehalten und mit zunehmender Kopplung sogar schärfer werden, ist in anderen Teilgebieten der Physik, insbesondere in der Kernphysik, schon seit vielen Jahren als resonance trapping wohlbekannt. An Festkörperoberflächen wurden entsprechende Effekte aber bisher nicht beobachtet bzw. nicht so interpretiert. Es gibt aber sowohl an Metall-, als auch an Halbleiteroberflächen vielfach Situationen, wo adsorbierte Moleküle, kleine Cluster oder Inseln mit eng benachbarten Energieniveaus stark an den Festkörper koppeln und wo somit ähnliche Effekte auftreten können. Deshalb ist die Veröffentlichung von Winter, Chulkov und Höfer von grundlegender Bedeutung für das Verständnis des Ladungsträgertransports an Oberflächen und Grenzflächen.


Orginalveröffentlichung:
M. Winter, E. V. Chulkov, U. Höfer,
"Trapping of image-potential resonances on free-electron-like metal surface"
Physical Review Letters 107, 236801 (2011).
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.236801http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.236801

Siehe auch:
Zwei-Photonen Photoemission
Bildpotentialzuständ

 

Kontakt

Prof. Dr. Ulrich Höfer
Fachbereich Physik und Zentrum für Materialwissenschaften
Philipps-Universität Marburg
Renthof 5
35032 Marburg

Tel.: +49 6421 / 28 24215
E-Mail

Zuletzt aktualisiert: 14.02.2015 · armbrusn

 
 
 
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Tel. +49 6421/28-24216, Fax +49 6421/28-24218, E-Mail: Irene.Dippel@physik.uni-marburg.de

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