Landesforschungszentrum OPTIMAS

Gold: Immer für eine Überraschung gut

Gold weist topologische Oberflächenzustände auf (© MPI CPfS)

Gold ist als chemisches Element seit mehr als 2500 Jahren bekannt und hoch geschätzt, seine Popularität beruht auf seiner schönen Farbe und seiner chemischen Trägheit. Es ist seit langem gut verstanden, dass seine goldene Farbe, technisch gesprochen, einen relativistischen Ursprung hat. Die Oberfläche von Gold ist einzigartig, denn sie beherbergt elektronische Zustände, die als ein Prototyp von Oberflächenzuständen verstanden wurden und nach dem amerikanischen Physiker und Nobelpreisträger William Shockley „Shockley-Oberflächenzustände” genannt werden.

Doch bis heute wurde übersehen, dass die Gold-Oberflächenzustände etwas ganz Besonderes sind, wenn man die Relativitätstheorie berücksichtigt: Diese Shockley-Oberflächenzustände können als topologisch abgeleitete Oberflächenzustände gedeutet werden, vergleichbar mit dem robusten Oberflächenzustand eines topologischen Isolators, eines kürzlich entdeckten neuen Quantenzustands. Dieser neue Quantenzustand hat in der Festkörperforschung in den Bereichen Physik, Materialwissenschaften und Chemie große und fachübergreifende Aufregung verursacht, auch wenn bisher keine Anwendung topologischer Materialien realisiert wurde. 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 Photoemissionsspektroskopie und Rastertunnelspektroskopie verwendet.

Für eine aktuelle Forschungsstudie über Gold-Oberflächenzustände arbeiteten Festkörperchemiker am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden mit Oberflächenphysikern der Technischen Universität Kaiserslautern (Fachbereich Physik und Landesforschungszentrum OPTIMAS) zusammen. Um eine neue theoretische Vorhersage von Binghai Yan (der auch an der ShanghaiTech-Universität forscht) und des Dresdner Teams zu beweisen, haben die Forscher aus Kaiserslautern eine einzigartige Photoemissionstechnik verwendet. Die sogenannte 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.

Die 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 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!“

Die Arbeit wurde online veröffentlicht in Nature Communications am 14.12.2015:

Topological States on the Gold Surface
Binghai Yan, Benjamin Stadtmüller, Norman Haag, Sebastian Jakobs, Johannes Seidel, Dominik Jungkenn, Stefan Mathias, Mirko Cinchetti, Martin Aeschlimann and Claudia Felser, Nature Communications 6 (2015) 10167 | DOI: 10.1038/ncomms10167 and preprint arXiv:1504.01971

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