Jülich: In Metallen wie Kupfer oder Aluminium können sich die sogenannten Leitungselektronen frei bewegen, ähnlich wie Teilchen in einem Gas oder einer Flüssigkeit. Baut man Fremdatome in das Kristallgitter ein, gruppieren sich die Elektronen in einem gleichmäßigen Muster um die Störstelle.

Es erinnert an ringförmige Wellen, die entstehen, wenn man einen Stein ins Wasser wirft. Jülicher Wissenschaftler haben nun mithilfe von Computersimulationen eine Materialkombination entdeckt, mit der sich diese Friedel-Oszillationen verstärken und wie mit einer Linse in verschiedene Richtungen bündeln lassen. Mit 50 Nanometern reichen die „riesigen anisotropen Ladungsdichtestörungen“ um ein Vielfaches weiter als üblich und eröffnen neue Möglichkeiten für die Nanoelektronik, um magnetische Informationen auszutauschen oder zu filtern.

Der in der Fachzeitschrift "Nature Communications" erschienenen Arbeit ging eine ungewöhnliche Entdeckung voraus: Forschern des Jülicher Peter Grünberg Instituts waren auf rastertunnelmikroskopischen Aufnahmen eigenartig geformte Elektronenwellen aufgefallen. Die Bilder zeigten die Oberfläche von dünnen Eisenfilmen, die mit Sauerstoffatomen verunreinigt waren. „Die Wellenmuster bildeten keine geschlossenen Ringe aus, sondern breiteten sich kreuzförmig von der Störstelle in vier Richtungen aus“, berichtet Dr. Samir Lounis.

Grund für die ungewöhnliche Ausbreitung der Dichteschwankungen der Elektronen: die annähernd quadratisch geformten Fermiflächen des Materials. Auf den Fermi-Flächen bewegen sich die energiereichsten Elektronen eines Atomverbundes. Die Form der Fermi-Flächen und die Beweglichkeit der Elektronen bestimmen die physikalischen Eigenschaften der Metalle. Oft sind die Fermiflächen ringförmig oder quadratisch abgerundet.

„Die nahezu ebenen Fermiflächen in unseren Proben wirken wie ein Verstärker für die Friedel-Oszillationen, die sich senkrecht zu ihnen ausbreiten“, erläutert Lounis. Die Forscher fanden nun heraus, dass sich dieser Effekt noch wesentlich verstärken lässt, wenn man die Dicke der Metallschicht variiert. Je nach Zahl der Atomlagen entstehen dadurch Stapel aus mehreren Fermiflächen. Je mehr davon vorhanden sind, umso weiter reichen die Oszillationen. Die Forscher tauften diesen Effekt “Giant Anisotropic Charge Density Oscillations“.

Im Prinzip könnte man die Oszillationen dazu benutzen, Informationen zwischen einzelnen magnetischen Fremdatomen auszutauschen und so die Integrationsdichte nanoelektronischer Bauelemente weiter zu erhöhen. Da die Oszillationen überwiegend von Spins einer Ausrichtung erzeugt werden, könnten sie auch die Grundlage für so genannte Spinfilter-Bauteile bilden, eine wichtige Komponente für Spintronik-Anwendungen.

Originalveröffentlichung:
Bouhassoune, M. et al.
Quantum well states and amplified spin-dependent Friedel oscillations in thin films.
Nat. Commun. 5:5558 doi: 10.1038/ncomms6558 (2014).