Correlation effects in self-organized atomic nanostructures on semiconductor surfaces

• Applicant: Professor Dr. Ralph Claessen
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2009 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 85460759

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Das vorliegende Projekt der Forschergruppe hat sich in zwei Förderperioden mit den besonderen elektronischen Eigenschaften ein- und zweidimensionaler atomarer Strukturen befasst. Im Fokus stand zunächst das definierte epitaktische Wachstum von Adatom-Strukturen aus Edelmetallen und Gruppe-IV-Elementen auf Halbleitersubstraten (Silizium, Germanium) - mit dem Ziel, möglichst wohl-definierte Atomketten oder 2D-Gitter zu bauen. Deren elektronische Struktur wurden dann mithilfe lokaler (scanning tunneling microscopy, STM) und impulsraum-aufgelöster (angle-resolved photoelectron spectroscopy, ARPES) untersucht. Bei den 1D Atomketten ging es insbesondere um die Konkurrenz zwischen Peierls-Instabilität einerseits und dimensionsinduzierten nicht-Fermi-Flüssigkeits-Effekten andererseits. Hier konnte insbesondere für Au-induzierte Atomketten auf der Ge(001)-Oberfläche gezeigt werden, dass es sich bei der dort auftretenden Überstruktur - im Gegensatz zu in der Literatur geäußerten Vermutung - um eine inhärente strukturelle Instabilität und nicht um einen Peierls-Übergang handelt. Die Abwesenheit von temperaturabhängigen Energielücken erlaubte somit die eingehende Untersuchung dieses Atomkettensystems als Prototyp eines 1D Metalls und der darin erwarteten elektronischen Korrelationseffekte. In der Tat wurde sowohl in ARPES als auch STM-Spektroskopie eine Zero-Bias-Anomalie beobachtet, deren Energie- und Temperaturverhalten das charakteristische "Universal Scaling" einer Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeit aufweist. Bei den 2D-Monolagen wurden die Systeme Pt/Si(111) und vor allem Au/Ge(111) systematisch studiert. Bei Letzterem führt eine ausgeprägte Spin-Bahn-Wechselwirkung zu einer Spin-Aufspaltung der Fermi-fläche und einer zusätzlichen räumlichen Modulation der k-aufgelösten Spinvektoren durch lokale atomare Potentialgradienten. Dies konnte mittels spin-aufgelöster ARPES eindeutig nachgewiesen und entsprechende theoretische Vorhersagen damit bestätigt werden. 2D-Atomlagen mit geringerer Bedeckung (1/3 ML) sind dagegen durch ausgeprägte Korrelationseffekte geprägt: die Modellsystemen Sn/Si(111) und Sn/SiC(0001) konnten als Mott-Isolatoren identifiziert werden, deren lokalen Momente in der Dreiecksgitterstruktur dieser Atomlagen eigentlich magnetisch frustriert sind. Tatsächlich aber wurde experimentell eine symmetriebrechende antiferromagnetische Phase gefunden, was durch ab-initio Vielteilchenrechnungen in einem kollabierenden Theorie-Projekt bestätigt wurde. Diese Ergebnisse bestätigen mit großem Erfolg den ursprünglichen Ansatz der FOR, dass sich niedrigdimensionale Atomstrukturen auf Oberflächen hervorragend als variable und prototypische Modellsysteme zur Untersuchung elektronischer Vielteilchenphänomene eignen.

Publications

• Structural Components of the Pt/Si(111)-(√3 × √3) Surface from Scanning Tunneling Microscopy, Phys. Rev. B 82, 075431 (2010)
  P. Höpfner, M. Wisniewski, F. Sandrock, J. Schäfer, and R. Claessen
  
• Atomically controlled quantum chains hosting a Tomonaga-Luttinger liquid, Nat. Phys. 7, 776 (2011)
  C. Blumenstein, J. Schäfer, S. Mietke, S. Meyer, A. Dollinger, M. Lochner, X. Y. Cui, L. Patthey, R. Matzdorf, R. Claessen
  
• Electronic Band Structure of the Two-Dimensional Metallic Electron System Au/Ge(111), Phys. Rev. B 83, 235435 (2011)
  P. Höpfner, J. Schäfer, A. Fleszar, S. Meyer, C. Blumenstein, T. Schramm, M. Heßmann, X. Cui, L. Patthey, W. Hanke, and R. Claessen
  
• Strictly One-Dimensional Electron System in Au Chains on Ge(001) Revealed By Photoelectron K-Space Mapping, Phys. Rev. B 83, 121411(R) (2011)
  S. Meyer, J. Schäfer, C. Blumenstein, P. Höpfner, A. Bostwick, J.L. McChesney, E. Rotenberg and R. Claessen
  
• Symmetry-Breaking Phase Transition without a Peierls Instability in Conducting Monoatomic Chains, Phys. Rev. Lett. 107, 165702 (2011)
  C. Blumenstein, J. Schäfer, M. Morresi, S. Mietke, R. Matzdorf, R. Claessen
  
• Structural Examination of Au/Ge(001) by Surface X-Ray Diraction and Scanning Tunneling Microscopy, Phys. Rev. B 85, 235439 (2012)
  S. Meyer, T. Umbach, C. Blumenstein, J. Schäfer, R. Claessen, S. Sauer, S. J. Leake, P. R. Willmott, M. Fiedler, and F. Bechstedt
  
• Three-Dimensional Spin Rotations at the Fermi Surface of a Strongly Spin-Orbit Coupled Surface System, Phys. Rev. Lett. 108, 186801 (2012)
  P. Höpfner, J. Schäfer, A. Fleszar, J. H. Dil, B. Slomski, F. Meier, C. Loho, C. Blumenstein, L. Patthey, W. Hanke, and R. Claessen
  
• Magnetic Order in a Frustrated Two-Dimensional Atom Lattice at a Semiconductor Surface, Nat. Commun. 4, 1620 (2013)
  G. Li, P. Höpfner, J. Schäfer, C. Blumenstein, S. Meyer, A. Bostwick, E. Rotenberg, R. Claessen, W. Hanke
  
• Valence band and core-level photoemission of Au/Ge(001): Band mapping and bonding sites, Phys. Rev. B 90, 125409 (2014)
  S. Meyer, L. Dudy, J. Schäfer, C. Blumenstein, P. Höpfner, T. E. Umbach, A. Dollinger, X. Y. Cui, L. Patthey, and R. Claessen
  
• Triangular Spin-Orbit-Coupled Lattice with Strong Coulomb Correlations: Sn Atoms on a SiC(0001) Substrate, Phys. Rev. Lett. 114, 247602 (2015)
  S. Glass, G. Li, F. Adler, J. Aulbach, A. Fleszar, R. Thomale, W. Hanke, R. Claessen, and J. Schäfer