Atomare und elektronische Struktur niedrigdimensionaler Pb-Quantensysteme mit starker Spin-Bahn-Wechselwirkung

Abstract

Auf dem langen Weg zur Etablierung spintronischer Bauelemente steht die Identifikation geeigneter Materialien an erster Stelle. Die Methoden der Oberflächenphysik erlauben die gezielte Herstellung und Charakterisierung nanoskaliger metallischer Strukturen auf wohlgeordneten halbleitenden Substraten. Starke Korrelationen zwischen atomarer und elektronischer Struktur als auch mit dem orbitalen Charakter und dem Spin-Freiheitsgrad der beteiligten Leitungselektronen des Metalls führen zu einer Vielzahl physikalisch interessanter Effekte.

In dieser Arbeit wurden niedrigdimensionale, atomar dünne Bleifilme auf flachen Si(111)- und gestuften Si(557)-Substraten durch Selbstorganisation erzeugt und ihre Strukturen mittels Elektronenbeugung und Rastertunnelmikroskopie untersucht. Die unter Einfluss starker Spin-Bahn-Kopplung stehende elektronische Struktur in den Filmen wurde bei tiefen Temperaturen mittels Leitfähigkeits- und Magnetotransportmessungen, sowie mit Spin- und winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie evaluiert.

Im Fall der Si(557)-Oberfläche mit 1,31 Monolagen Blei konnte mit diesen Methoden ein neuer hoch korrelierter Quantenzustand der Materie -- eine sogenannte Spin-Bahn-Dichtewelle -- in einem quasi-eindimensionalen System nachgewiesen und charakterisiert werden. Durch Fermi-Nesting der elektronischen Bänder mit maximaler Spin-Aufspaltung öffnet sich unterhalb von 78 K eine unidirektionale Energielücke, während die Bleidrähte in der zweiten Dimension metallisch bleiben. Das einzigartige Zusammenspiel der atomaren Struktur dieses Systems mit seinen elektronischen und Spin-Korrelationen wird durch die starke Spin-Bahn-Kopplung der Bleiatome hervorgerufen. Äußere Störeinflüsse wie die Adsorption zusätzlicher Bleiatome oder Magnetfelder schirmen das Coulomb-Potential ab und schwächen dadurch die langreichweitigen elektronischen Korrelationen und die ausgeprägte antiferromagnetische Spin-Textur der Zustände am Fermi-Niveau bis zum Zusammenbruch des Quantenzustands.

Die atomaren Strukturen von Si(111) mit etwa einer Monolage Blei sind typischerweise zweidimensionaler Natur wie zum Beispiel bei der \emph{Striped Incommensurate}-Phase. Details in der lokalen Adsorptionsgeometrie können die Translations- und Rotationssymmetrie jedoch brechen. So bilden die (sqrt{7} x sqrt{3})-Rekonstruktion und die "Devil's Staircase"-Phase anisotrope, langreichweitig geordnete, kettenartige Strukturen mit Elementen quasi-eindimensionalen und -zweidimensionalen Charakters in der elektronischen Struktur. Fermi-Nesting der Spin-polarisierten Oberflächenzustände der "Devil's Staircase"-Phase deutet auf ähnliche Korrelationseffekte wie im Pb/Si(557)-System hin, deren eindeutiger Nachweis jedoch noch aussteht. Bei der Striped Incommensurate-Phase wird die elektronische Struktur aufgrund der gebrochenen Symmetrie und der damit einhergehenden kurzreichweitigen Ordnung von der lokalen (sqrt{3} x sqrt{3})-Rekonstruktion dominiert. Die Spin-Bahn-Kopplung führt in diesem System nicht nur zu einer starken nichtlinearen Rashba-Aufspaltung der Bänder, sondern auch zu einem Zeeman-artigen Zustand mit zykloidal rotierender Spin-Textur. Transportmessungen am Pb/Si(111)-System bestätigen nicht nur den starken Einfluss von Spin-Bahn-Streuung auf die elektrische Leitfähigkeit, sondern zeigen auch, dass aktivierter Transport in diesen niedrigdimensionalen Metallfilmen eine große Rolle spielt. Zudem werden die oberflächennahen Quantentrogzustände im Silizium-Valenzband durch die Blei-Adsorption modifiziert.