Kristaloppervlak in ijzer-pnictide supergeleiders beïnvloedt gedrag elektronen
Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en de Stichting FOM hebben samen met collega's van de Universiteit van Tampere (Finland) en het Leibniz Instituut voor Vaste stof- en Materiaalonderzoek in Dresden (Duitsland) aangetoond dat de elektronen in de nieuwe ijzer-pnictide supergeleiders - in dit geval BaFe2-xCoxAs2 - reageren op de aanwezigheid van een kristaloppervlak. Dit blijkt uit zowel spectroscopische experimenten als theoretische berekeningen. Door het gedrag van elektronen in een supergeleider nauwkeurig te bestuderen kunnen aanwijzingen voor het mechanisme dat tot supergeleiding leidt, achterhaald worden. De onderzoekers publiceren hun bevindingen 12 januari 2011 online in Physical Review Letters.
Mulisch schreef: "Het gaat niet om de diepte en niet om de oppervlakte maar om de diepte van de oppervlakte." In dit onderzoek is aangetoond dat de speciale gelaagde structuur van de ijzer-pnictiden - in de veelbestudeerde BaFe2As2 pnictide familie - tot een flinke verstoring van het kristalrooster leidt. Door de energie en impuls (de dispersierelatie) van elektronen die zich in de buurt van dit oppervlak bevinden nauwkeurig te meten, wisten onderzoeker van Heumen en zijn collega's als eerste de vingerafdruk van de oppervlaktetoestanden experimenteel vast te stellen. Dit heeft belangrijke consequenties voor de interpretatie van belangrijke spectroscopische experimenten wat betreft de elektronische structuur van deze materialen: de oppervlakte is 'dieper' dan tot nu toe gedacht.
Spectroscopische technieken
Twee veelgebruikte technieken om supergeleiders te analyseren zijn hoekopgeloste foto-emissie spectroscopie en scanning tunneling microscopie. De eerste techniek meet direct de dispersierelatie van elektronen in een materiaal, de tweede techniek geeft toegang tot de elektronendichtheid op atomaire schaal. Beide technieken hebben een lange staat van dienst in de studie van onconventionele supergeleiders zoals de koper-oxides en worden volop gebruikt om het gedrag van de nieuwe ijzer-pnictide supergeleiders te doorgronden. Dat deze experimenten vooral informatie leveren over de elektronische toestanden die zich in de buurt van een kristal oppervlak bevinden, maakt het van essentieel belang om te onderzoeken in hoeverre het kristal oppervlak invloed heeft op het gedrag van de elektronen.
Technische achtergrond
Om de structuur van een kristaloppervlak te bepalen wordt de diffractie van lage-energie elektronen aan het oppervlak gebruikt. Zo ontdekten de onderzoekers dat het oppervlak verschilt van de bulk doordat een van de atoomlagen opengebroken moet worden. De vrije ruimte die zo ontstaat geeft de atomen in de onderliggende lagen ruimte om iets van de vaste roosterposities af te bewegen. Bewapend met de kennis van de echte structuur van het oppervlak, is in de volgende stap het effect van deze verstoringen op de elektronische banden berekend. Om de cirkel te sluiten, hebben de onderzoekers de berekeningen vergeleken met hun eigen hoekopgeloste foto-emissie metingen. Zo konden inderdaad elektronenbanden geïdentificeerd worden, die ontstaan zijn door de verstoorde potentialen rond het kristal oppervlak.
Met deze Europese samenwerking tussen experiment en theorie is een eerste stap gezet op weg naar betrouwbare spectroscopische metingen aan deze fascinerende familie van hoge temperatuur supergeleiders.
Contactpersonen
Dr. Erik van Heumen
Van der Waals-Zeeman Instituut
Universiteit van Amsterdam
Sciencepark 904
1098 XH Amsterdam
Telefoon werk: (020) 525 63 52
Prof.dr. Mark S. Golden
Van der Waals-Zeeman Instituut
Universiteit van Amsterdam
Sciencepark 904
1098 XH Amsterdam
Telefoon werk: (020) 525 63 63
Prof.dr. J. van den Brink
Institute for Theoretical Solid State Physics
IFW Dresden
Helmholzstrasse 20
01069 Dresden
Duitsland
Telefoon werk: +49 351 465 93 80