Die Topologie von Gold

  • 13. January 2016

Experimente vermessen topologische Oberflächenzustände – und eröffnet Weg zu neuen Quanten-Materialien.

Die Oberfläche von Gold ist einzigartig, denn sie beherbergt elektro­nische Zustände, nach dem amerika­nischen Physiker und Nobel­preis­träger William Shockley als „Shockley-Ober­flächen­zustände“ bezeichnet. Sie lassen sich als topo­logisch abge­leitete Ober­flächen­zustände deuten, ver­gleich­bar mit dem robusten Ober­flächen­zustand eines topo­logischen Isolators, einem kürz­lich entdeckten neuen Quantenzustand. Gold und Platin, Metalle mit topo­lo­gischen Shockley-Ober­flächen­zuständen, werden als Standards in der Ober­flächen­physik und -chemie einge­setzt und sind auch als Materialien für die Katalyse etabliert. Gold-Ober­flächen­zustände werden gemeinhin als Bench­mark für die Leistungs­fähigkeit von Photo­emissions-Spektro­skopie und Raster­tunnel­spektro­skopie verwendet.

Festkörperchemiker am MPI für chemische Physik fester Stoffe in Dresden und Ober­flächen­physiker der Uni Kaisers­lautern haben nun die topo­logischen Zustände von Gold gemeinsam unter­sucht. Um dabei eine theo­retische Vorher­sage des Dresdner Teams zu beweisen, haben die Forscher aus Kaisers­lautern eine einzig­artige Photo­emissions­technik verwendet. Die impuls­aufge­löste Zwei-Photonen-Photo­emission erlaubt es, die elektro­nische Struktur im Impuls­raum sowohl unter­halb als auch ober­halb der Fermi­energie zu messen. Durch die Kombination eines optischen, para­metrischen Oszil­lator-Laser­systems mit einem modernen Impuls­mikro­skop war es möglich, die Dispersion der Ober­flächen­zustände zu vermessen und ihre topo­logische Natur experi­mentell zu bestätigen.

Diese Entdeckung eröffnet nicht nur einen Weg zu neuen Quanten-Materialien, sie wird sicher auch eine Diskussion über die Rolle topo­logischer Ober­flächen­zustände für ober­flächen­bezogenen Prozesse wie Adsorption und Katalyse auslösen. Binghai Yan vom MPI in Dresden ist „fest davon über­zeugt, dass robuste Ober­flächen­zustände in topo­logischen Materialien die Katalyse positiv beein­flussen sollten. Wir werden dieses Konzept anwenden, um nach neuen und nach­haltigen Materialien jenseits von Edel­metallen zu suchen."

MPI CPfS / RK

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