Pressemitteilung der Universität Duisburg-Essen

Neues zur Lebensdauer von Quasiteilchen in Metallen

„Ich sperre die Elektronen ein!“

[02.08.2010] Eine wichtige Forschungslücke hat das Team von Prof. Uwe Bovensiepen, Physiker am Sonderforschungsbereich 616 „Energiedissipation an Oberflächen“ der Universität Duisburg-Essen (UDE) in Kooperation mit Partnern aus San Sebastian/Spanien geschlossen. Ihnen gelang es, die rechnerischen Ergebnisse zur Lebensdauer von Quasiteilchen experimentell zu bestätigen und haben damit neue Einsichten gewonnen über die Elektronendynamik an Grenzflächen zwischen Halbleiter und Metall. Wichtig ist dies für die Herstellung immer kleinerer Strukturen, etwa in Mikroprozessoren. Publiziert wurden die Ergebnisse in der Augustausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins „nature physics“.

Es ist ein in der Physik vertrauter Vorgang: Rechnerisch liegt ein Ergebnis seit langem vor, aber im Experiment lässt es sich manchmal jahrzehntelang nicht bestätigen. Die Frage der Lebensdauer von Quasiteilchen in Metallen gehörte bislang auch in diese Kategorie. Als Quasiteilchen werden Elektronen im Zustand der energetischen Wechselwirkung mit anderen, angekoppelten Elektronen bezeichnet. Lenkt man zum Beispiel einen Laserpuls auf die Oberfläche eines hauchdünnen Bleifilms, so werden die Elektronen an der Oberfläche des Bleifilms angeregt und in eine höhere Schwingungsfrequenz versetzt.

Das Energie abgebende und verteilende Elektron ist das sogenannte Quasiteilchen oder auch Quasipartikel. Seine Lebensdauer definiert sich durch die Zeitspanne, die es braucht, um die Energie auf die anderen Elektronen gleichmäßig zu verteilen. „Dieser Zusammenhang ist theoretisch bekannt, hinlänglich beschrieben und in Experimenten beobachtet“, betont Bovensiepen. Es gibt aber einen zweiten Aspekt, der sich wie ein Störfeuer auswirkt. „Dummerweise wandern Elektronen nämlich“, sagt Bovensiepen.

Ist das Substrat, auf das der hauchdünne Bleifilm aufgebracht ist, ein leitfähiges wie zum Beispiel Kupfer, wandern Elektronen in dieses benachbarte Substrat ab. Bildlich gesprochen: Sie lösen sich aus dem Verband der Elektronen im Blei, bevor sie von dem Quasiteilchen überhaupt mit ihrem Anteil an der zu verteilenden Energie bedacht werden konnten. Das wiederum bedeutet aber: Das Quasiteilchen ist mit der Arbeit des Verteilens schneller fertig als es eigentlich sein müsste – seine Lebensdauer mithin kürzer. Das Einsickern von Elektronen in ein benachbartes Substrat verfälscht also das Ergebnis, es verkürzt die beobachtete Lebensdauer des Quasiteilchens.

Die Forscher haben nun ein Verfahren gefunden, dieses Abwandern zu verhindern. „Wir können die Elektronen einsperren, indem wir die entsprechenden Rahmenbedingungen herstellen. Das gelingt mit halbleitenden Substraten, die unterhalb einer bestimmten Temperatur nicht mehr leiten“, so Bovensiepen. Seine Entdeckung: Nimmt man statt des leitfähigen Materials ein Halbleitermaterial wie Silizium als Substrat, lässt sich ein „Energiefenster“ schaffen, innerhalb dessen sich die Theorie zur Lebensdauer von Quasiteilchen experimentell bestätigt.

Weitere Informationen: http://www.sfb616.uni-due.de/englisch/news.htm, der vollständige Artikel („Quasiparticle lifetimes in metallic quantum-well nano-structures“) ist hier abrufbar: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys1735.html

Kontakt: Prof. Dr. Uwe Bovensiepen, Tel. 0203/379-4566, uwe.bovensiepen@uni-due.d