Pressemeldung: Herzliche Wechselwirkungen

14. April 2016

Elektronen sind einer der Grundbausteine unserer Welt. In vielen Fällen sind sie es, die die Phänomene und Eigenschaften bestimmen, welche wir beobachten. Deshalb ist es sehr wichtig zu verstehen, wie die Elektronen in den verschiedenen Formen der Materie untereinander wechselwirken, und welchen Zustand sie dort einnehmen. Einer Forschergruppe am MPI-CPfS und an der TU Dresden ist es nun gelungen, in der Verbindung CeRh2Si2, in der die Wechselwirkung zwischen den Elektronen sehr komplex und deshalb schwierig zu untersuchen ist, einen sehr präzisen Einblick in die Elektronenzustände zu gewinnen.  

In Festkörpern können Elektronen zwei sehr unterschiedliche Arten von Verhalten aufweisen. Die einen bewegen sich fast frei durch den Festkörper, man bezeichnet sie deshalb als „itinerant“. Sie sind z.B. dafür verantwortlich, dass elektrischer Strom durch Metalle, z.B. durch ein Kupferkabel, fließen kann. Andere Elektronen kreisen um ein bestimmtes Atom, sind an diese gebunden, und werden deshalb als „lokalisiert“ bezeichnet. Sie sind z.B. in vielen Fällen für den Magnetismus in Festkörpern, z.B. in Permanentmagneten, verantwortlich. Für jede dieser beiden Elektronen-Arten gibt es ein passendes theoretisches Modell, das deren Eigenschaften sehr gut beschreiben kann. In den meisten Festkörpern ist die Wechselwirkung zwischen den itineranten und den lokalisierten Elektronen sehr schwach, weshalb auch die Eigenschaften der meisten Festkörper sich sehr gut entweder durch das eine oder durch das andere Modell erklären lassen.

Es gibt jedoch eine Reihe von Verbindungen, in denen diese Wechselwirkung so groß ist, dass sie die Eigenschaften beider Elektronenarten und damit die des Festkörpers stark verändert. Dies führt zu völlig unerwarteten Phänomenen, die mit den bisherigen Theorien nicht erklärt werden können, und teilweise sogar im völligen Widerspruch zu diesen Theorien stehen. Das Aufstellen eines neuen, passenden theoretischen Modells hat sich aber als extrem schwierig herausgestellt, weil diese Wechselwirkung dazu führt, dass die Bewegung eines Elektrons von der genauen Bewegung der anderen, benachbarten Elektronen abhängt. Für ein tieferes Verständnis dieser Systeme ist es deshalb essentiell, den Zustand dieser Elektronen experimentell möglichst genau zu bestimmen. Die dafür aussagekräftigste Methode ist die winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (nach dem Englischen mit ARPES bezeichnet), bei der eine Probe des Materials mit hochenergetischem Licht bestrahlt wird und die dabei austretenden Elektronen untersucht werden. Für einige Verbindungsklassen ist dies schon gelungen, andere haben sich bisher hartnäckig wiedersetzt.

Einer der problematischsten Fälle sind intermetallische Verbindungen auf Basis des Seltenerdmetals Cer, die als Kondo-Gitter bezeichnet werden. Bei diesen Systemen ist es extrem schwierig, perfekte und eindeutig definierte Oberflächen herzustellen. Diese sind aber Voraussetzung für aussagekräftige Ergebnisse. Außerdem drängen sich in diesen Verbindungen die interessanten elektronischen Zustände in einem sehr kleinen Energieintervall, weshalb eine sehr hohe Energieauflösung bei den Messungen notwendig ist. Im Rahmen einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen der Materialentwicklungsgruppe am MPI-CPfS und der Elektronenspektroskopiegruppe der TU Dresden ist es nun gelungen, für das Kondo-Gitter System CeRh2Si2 Proben mit solch perfekten und eindeutig definierten Oberflächen herzustellen und am Synchrotron BESSY mit der nötigen Energieauflösung zu untersuchen. Die Messergebnisse liefern ein sehr detailliertes Bild über die Wechselwirkung zwischen den lokalen und den itineranten Elektronen in CeRh2Si2, die sich sogar in ästhetisch ansprechenden Bildern niederschlägt. In der Abbildung ist die Intensität der rückgestrahlten Elektronen als Funktion ihrer Energie und ihres Austrittswinkels dargestellt. Für lokalisierte Elektronen ändert sich die Energie nur sehr schwach als Funktion dieses Winkels, sie können deshalb mit den zwei horizontalen Flügeln identifiziert werden. Für itinerante Elektronen ist es umgekehrt, deren Energie ändert sich sehr stark als Funktion diese Winkels, sie erscheinen üblicherweise als steile Geraden. Allerdings wurde die Bestrahlungsenergie in diesem Fall so gewählt, dass die itineranten Elektronen kaum sichtbar sein sollten. Die Wechselwirkung zwischen itineranten und loklaisierten Elektronen führt aber dazu, das dort wo sich die steilen Linien der itineranten Elektronen mit der horizontalen Linie der lokalisierten Elektronen treffen, die Intensität der ersteren sehr stark erhöht wird, was zur Bildung der herzförmigen Kurve führt (siehe Abbildung). Somit ist dieses Herz eine direkte Abbildung dieser Wechselwirkung. Mit einer ganzen Reihe solcher Spektren, für verschiedene Bestrahlungsenergien und verschiedenartige Oberflächen, lässt sich ein sehr detailliertes Bild der elektronischen Zustände in CeRh2Si2 erstellen und damit die Basis für ein tieferes Verständnis dieser komplexen Materialien legen.  

Winkelaufgelöste Photoemmision an CeRh2Si2: Intensität der rückgestrahlten Elektronen als Funktion ihrer Energie und ihres Austrittwinkels. Die zwei horizontalen Flügel können dem Signal der lokalisierten Elektronen zugeordnet werden, weil deren Energie nur sehr schwach vom Winkel abhängt. Itinerante Elektronen sollten aufgrund der gewählten Bestrahlungsenergie nur sehr schwach sichtbar sein. Aufgrund der Ergebnisse bei anderen Bestrahlungsenergien  erwartet man ihr Signal entlang und in Verlängerung der schwarzen gestrichelten Linien. Am oberen Rand des Bildes ist auch eine sehr schwache Signatur zu erkennen. Nähert man sich aber den lokalisierten Zustände, setzt eine starke Wechselwirkung zwischen lokalisierte und itineranten Elektronen ein, die zu einer Verformung der entsprechenden Signale führt, und das Signal der itineranten Elektronen stark erhöht: Es entsteht eine intensive, herzförmige Struktur.

CG / CPfS

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