Forscher identifizieren einen Weg, um Oberflächenzustände mit maximalen Energiedifferenz zwischen Elektronen mit verschiedenen Spins zu erzeugen.

28. September 2017

Die Oberflächen von Materialien können einzigartige elektronische Eigenschaften aufweisen, weil sich die Elektronen dort manchmal sehr verschieden vom Inneren (Bulk) der Verbindungen verhalten. Insbesondere die intrinsisch gebrochenen Symmetrien an der Oberfläche im Vergleich zum Inneren der Probe erlauben eine Unterscheidung von Energiezuständen nach ihrem Spin. Dieser Effekt könnte in neuartigen elektronischen Geräten verwendet werden, die sowohl mit der Ladung als auch mit dem Spin von Elektronen arbeiten. Zunächst aber ist es notwendig zu verstehen, wie man die Größe des Effekts maximiert.

In einer neueren Publikation in der Zeitschrift "Nature" haben Forscher der Universität St. Andrews und des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden in Zusammenarbeit mit Beamline-Mitarbeitern von der Diamond Light Source und Elettra in Italien einen neuen Weg zur Maximierung der Spinaufspaltung der Oberflächenzustände beschrieben. Durch die Auswertung der Hierarchie von Energieskalen im System erkannten sie, dass eine maximale Spin-Splitting-Situation zunächst durch die sehr große Energieskala verursacht wird, die mit dem Bruch der Inversionssymmetrie an der Oberfläche assoziiert ist.

Sie untersuchten daraufhin die elektronische Struktur von PtCoO2, PdCoO2 und PdRhO2, die alle zur Familie der Delafossit-Schichtoxid-Materialien gehören und beobachteten eine signifikante Spinaufspaltung. Ihre Experimente beweisen, dass dieses Szenario tatsächlich realisiert werden kann. Das wichtigste Ergebnis ist ein neues, allgemeines Prinzip für die Gestaltung neuer Materialien mit interessanten und potenziell nützlichen Oberflächen- und Interface-Zuständen.

Die Arbeit wurde vom Europäischen Forschungsrat (über das QUESTDO-Projekt), dem britischen Engineering and Physical Sciences Research Council, der Royal Society, der Max-Planck-Gesellschaft und der Internationalen Max-Planck-Partnerschaft für Messung und Beobachtung am Quantenlimit unterstützt.

VS ; HR / CPfS

Abbildung 1. a) Im Probeninneren (Bulk) kann (Pt,Pd)CoO2 als ein alternierender Stapel von metallischen und isolierenden Schichten betrachtet werden. Polare Ladung an der CoO2-terminierten Oberfläche macht jedoch die Oberflächenschicht metallisch und erzeugt Zustände, die sich bemerkenswert von denen des Bulk-Kristalls unterscheiden. Der Grund für die faszinierenden Eigenschaften dieser Zustände sind die CoO2-Oktaeder an der Oberfläche (Abb. 1b). Es ist für die Elektronen energetisch günstiger, über den oberflächennahen (rosa) Sauerstoff zu hüpfen als durch den tieferliegenden (lila) Sauerstoff. Dies verknüpft die gebrochene Inversionssymmetrie an der Oberfläche mit einer große Energieskala und ermöglicht eine maximale Spinaufspaltung, welche die Größe der atomaren Spin-Bahn-Kopplung erreicht, wie durch die Photoemissionsmessung gezeigt wurde (Fig. 1c).

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