Metallischer Sauerstoff?
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sechs Restatome befinden. Inzwi- schen gibt es Hinweise darauf, dass sich mit dieser FM-AFM-Methode sogar subatomare Strukturen wie Dangling Bond-Dimere sichtbar machen lassen [3]. Der nächste wichtige Schritt war die Entwicklung geeigneter theore- tischer Modelle zur Lösung des in- versen Problems (siehe z. B. [4]). Mit einer Kombination aus experi- mentellen Daten und Computer- Simulationen konnte B. Gotsmann aus Münster kürzlich mit seinem Ansatz zur dynamischen Kraft- spektroskopie an einem Metall- Metall-System zeigen, dass eine ausgezeichnete parameterfreie An- passung von gemessenen Kraft-Ab- stands-Kurven mit Kontinuumsmo- dellen gleichzeitig im repulsiven und im langreichweitigen van-der- Waals-Bereich möglich ist [5]. Sig- nifikante Abweichungen ergaben sich jedoch im kurzreichweitigen attraktiven Bereich – ein Hinweis auf die kurzreichweitigen elektroni- schen Wechselwirkungen zwischen atomaren Orbitalen von Spitzen- und Probenatomen. Jetzt gelang es Basler Physikern um H.-J. Güntherodt, die Ausbil- dung einer einzelnen chemischen Bindung quantitativ zu verfolgen [6]. Mithilfe eines Tief-Temperatur UHV-AFMs untersuchten sie die Wechselwirkungen zwischen einer Si-Messspitze und einer Si(111)- 7×7-Oberfläche. Die hohe Güte me- chanischer Schwinger unter UHV- Bedingungen verbesserte dabei er- heblich die Empfindlichkeit im Ver- gleich zu Messungen in Gasen. Und die niedrige Temperatur von 7,2 K half, thermisches Driften und Krie- cheffekte der Piezokeramiken zu unterdrücken, sodass die Messspit- ze während des Experimentes prä- zise auf einem zuvor ausgewählten Si-Adatom gehalten werden konnte. Die von M. A. Lantz und seinen Kollegen gemessenen Kräfte von etwa 2 nN stimmen sehr gut mit ab-initio Rechnungen für die Stärke einer kovalenten Bindung für ein 5×5-Modellsystem überein. Hierbei sind jedoch drei Punkte zu berück- sichtigen: erstens die Messungenau- igkeit von 30 %, zweitens das ange- nommene Superpositionsprinzip für die Kräfte und drittens die Tatsa- che, dass sich die Modellrechnun- gen auf relativ kleine Cluster bezie- hen, wohingegen die reale Spitze aus sehr vielen Atomen besteht, so- dass durch deren Wechselwirkung mit der Oberfläche Abweichungen vom Modell zu erwarten sind. Die einzelnen Kraftanteile haben die Autoren sehr geschickt ge- trennt: Sie nutzten die topographi- schen bzw. elektronischen Beson- derheiten der rekonstruierten Si- 7×7-Oberfläche aus und zeigten, dass auf den Positionen der Eck- löcher der 7×7-Einheitszelle auch bei kleineren Abständen als sie zur Messung der Kraft-Abstands-Kur- ven auf den reaktiven Adatomen eingestellt wurden, keine kurzreich- weitigen Kräfte zu detektieren wa- ren, sondern ausschließlich unspe- zifische, langreichweitige van-der- Waals-Kräfte. Dadurch gelang es der Schweizer Gruppe, die chemi- schen Kräfte auf den Adatomen aus der Differenz von gemessener Ge- samtkraft und der an den nichtre- aktiven Ecklöcher-Positionen ge- messenen unspezifischen van-der- Waals-Kraft zu bestimmen. Die Auflösung des Basler Experi- mentes reichte sogar aus, um Reak- tivitätsunterschiede (Ladungsvertei- lungsunterschiede) zwischen den Adatomen der beiden unterschied- lichen Hälften der 7×7-Einheitszel- le direkt nachzuweisen. (Erste Hin- weise hierfür gab es bereits durch Rastertunnelmikroskop-Experimen- te von Avouris et al. nach Begasung einer Si(111)-7×7-Oberfläche mit NH 3 [7].) Selbst Feinheiten wie un- terschiedliche Relaxationen der un- terschiedlichen Adatome aufgrund der Spitze-Probe-Wechselwirkung ließen sich nun beobachten. Die neuen Experimente zeigen einmal mehr, dass das AFM seinen Namen sehr wohl verdient und dass viel- leicht in nicht allzu ferner Zukunft die Möglichkeit besteht, quantitativ zwischen chemisch unterschiedli- chen Atomen – mit einer mechani- schen Methode (!) – zu unterschei- den. Harald Fuchs [1] Y. Martin, C. C. Williams, H. K. Wickramasinghe, J. Appl. Phys. 61, 4723 (1987) [2] F. J. Giessibl, Science 267, 68 (1995) [3] B. Gotsmann, Phys. Bl., Oktober 2000, S. 16 [4] U. Dürig, Appl. Phys. Lett. 76, 1203 (2000); H. Hölscher, B. Gotsmann, W. Allers, U. D. Schwarz, H. Fuchs, R. Wiesendanger, Phys. Rev. B (im Druck) [5] B. Gotsmann und H. Fuchs, Phys. Rev. Lett. 86, 2597 (2001) [6] M. A. Lantz, H. J. Hug, R. Hoffmann, P. J. A. van Schendel, P. Kappenberger, S. Martin, A. Baratoff, H.-J. Güntherodt, Science 291, 2580 (2001) [7] Ph. Avouris, R.Wolkow, Phys. Rev B 39, 5091 (1989) Metallischer Sauerstoff? Im Labor wurde Sauerstoff einem Druck ausgesetzt wie er im Innern von Planeten herrscht In den letzten Jahren ist es im La- bor gelungen, ultrahohe Drücke im Bereich einiger Megabar zu erzeu- gen (1 Mbar = 10 11 Pa). Das ist für viele Disziplinen der Physik, insbe- sondere die Geophysik, Astrophy- sik, Plasmaphysik und Materialwis- senschaften, von enormer Bedeu- tung. Beispielsweise herrschen im Zentrum der Erde Drücke von etwa 3,5 Mbar und im Innern der großen Planeten Jupiter und Saturn bis et- wa 50 Mbar. Zusammen mit den hohen Drücken treten in diesen Objekten Temperaturen von einigen Tausend Kelvin auf, sodass dafür der neue Begriff warme, dichte Ma- terie (warm dense matter) geprägt wurde. Mithilfe von Diamant-Stempel- zellen gelingt es, Proben einem sta- tischen Druck von bis zu 3 Mbar auszusetzen. Leider ist es bis heute nicht gelungen, den schon von Wig- ner und Huntington 1935 vorherge- sagten metallischen Wasserstoff Physikalische Blätter 57 (2001) Nr. 6 Im Brennpunkt 25 Die von einer Basler Gruppe mit einem Rasterkraftmikroskop gemessene Kraft- Abstands-Kurve über dem Eckloch einer Si(111)-7×7-Einheitszelle lässt sich durch die van-der-Waals-Kraft erklären, die auf die Spitze einwirkt (blaue Kurve). Die sehr kurzreichweitige Kraft, die zusätz- lich über einem Adatom auftritt, ent- spricht einer chemischen Bindung zwischen Spitzenatom und Proben-Ad- atom (orange Kurve). (Abb.: H. J. Hug, Uni Basel) Prof. Dr. Harald Fuchs, Physikali- sches Institut, Uni- versität Münster, Wilhelm-Klemm-Str. 10, 48149 Münster, www.uni-muenster. de/Physik/PI/Fuchs
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sechs Restatome befinden. Inzwi-schen gibt es Hinweise darauf, dasssich mit dieser FM-AFM-Methodesogar subatomare Strukturen wieDangling Bond-Dimere sichtbarmachen lassen [3].
Der nächste wichtige Schritt wardie Entwicklung geeigneter theore-tischer Modelle zur Lösung des in-versen Problems (siehe z. B. [4]).Mit einer Kombination aus experi-mentellen Daten und Computer-Simulationen konnte B. Gotsmannaus Münster kürzlich mit seinemAnsatz zur dynamischen Kraft-spektroskopie an einem Metall-Metall-System zeigen, dass eineausgezeichnete parameterfreie An-
passung von gemessenen Kraft-Ab-stands-Kurven mit Kontinuumsmo-dellen gleichzeitig im repulsivenund im langreichweitigen van-der-Waals-Bereich möglich ist [5]. Sig-nifikante Abweichungen ergabensich jedoch im kurzreichweitigenattraktiven Bereich – ein Hinweisauf die kurzreichweitigen elektroni-schen Wechselwirkungen zwischenatomaren Orbitalen von Spitzen-und Probenatomen.
Jetzt gelang es Basler Physikernum H.-J. Güntherodt, die Ausbil-dung einer einzelnen chemischenBindung quantitativ zu verfolgen[6]. Mithilfe eines Tief-TemperaturUHV-AFMs untersuchten sie dieWechselwirkungen zwischen einerSi-Messspitze und einer Si(111)-7×7-Oberfläche. Die hohe Güte me-
chanischer Schwinger unter UHV-Bedingungen verbesserte dabei er-heblich die Empfindlichkeit im Ver-gleich zu Messungen in Gasen. Unddie niedrige Temperatur von 7,2 Khalf, thermisches Driften und Krie-cheffekte der Piezokeramiken zuunterdrücken, sodass die Messspit-ze während des Experimentes prä-zise auf einem zuvor ausgewähltenSi-Adatom gehalten werden konnte.
Die von M. A. Lantz und seinenKollegen gemessenen Kräfte vonetwa 2 nN stimmen sehr gut mit ab-initio Rechnungen für die Stärkeeiner kovalenten Bindung für ein5×5-Modellsystem überein. Hierbeisind jedoch drei Punkte zu berück-sichtigen: erstens die Messungenau-igkeit von 30 %, zweitens das ange-nommene Superpositionsprinzip fürdie Kräfte und drittens die Tatsa-che, dass sich die Modellrechnun-gen auf relativ kleine Cluster bezie-hen, wohingegen die reale Spitzeaus sehr vielen Atomen besteht, so-dass durch deren Wechselwirkungmit der Oberfläche Abweichungenvom Modell zu erwarten sind.
Die einzelnen Kraftanteile habendie Autoren sehr geschickt ge-trennt: Sie nutzten die topographi-schen bzw. elektronischen Beson-derheiten der rekonstruierten Si-7×7-Oberfläche aus und zeigten,dass auf den Positionen der Eck-löcher der 7×7-Einheitszelle auchbei kleineren Abständen als sie zurMessung der Kraft-Abstands-Kur-ven auf den reaktiven Adatomeneingestellt wurden, keine kurzreich-weitigen Kräfte zu detektieren wa-ren, sondern ausschließlich unspe-zifische, langreichweitige van-der-Waals-Kräfte. Dadurch gelang esder Schweizer Gruppe, die chemi-schen Kräfte auf den Adatomen ausder Differenz von gemessener Ge-samtkraft und der an den nichtre-aktiven Ecklöcher-Positionen ge-messenen unspezifischen van-der-Waals-Kraft zu bestimmen.
Die Auflösung des Basler Experi-mentes reichte sogar aus, um Reak-tivitätsunterschiede (Ladungsvertei-lungsunterschiede) zwischen denAdatomen der beiden unterschied-lichen Hälften der 7×7-Einheitszel-le direkt nachzuweisen. (Erste Hin-weise hierfür gab es bereits durchRastertunnelmikroskop-Experimen-te von Avouris et al. nach Begasungeiner Si(111)-7×7-Oberfläche mitNH3 [7].) Selbst Feinheiten wie un-terschiedliche Relaxationen der un-terschiedlichen Adatome aufgrundder Spitze-Probe-Wechselwirkung
ließen sich nun beobachten. Dieneuen Experimente zeigen einmalmehr, dass das AFM seinen Namensehr wohl verdient und dass viel-leicht in nicht allzu ferner Zukunftdie Möglichkeit besteht, quantitativzwischen chemisch unterschiedli-chen Atomen – mit einer mechani-schen Methode (!) – zu unterschei-den.
Harald Fuchs
[1] Y. Martin, C. C. Williams, H.K. Wickramasinghe, J. Appl.Phys. 61, 4723 (1987)
[2] F. J. Giessibl, Science 267,68 (1995)
[3] B. Gotsmann, Phys. Bl.,Oktober 2000, S. 16
[4] U. Dürig, Appl. Phys. Lett.76, 1203 (2000); H. Hölscher,B. Gotsmann, W. Allers, U.D. Schwarz, H. Fuchs, R.Wiesendanger, Phys. Rev. B(im Druck)
[5] B. Gotsmann und H. Fuchs,Phys. Rev. Lett. 86, 2597(2001)
[6] M. A. Lantz, H. J. Hug, R.Hoffmann, P. J. A. vanSchendel, P. Kappenberger, S.Martin, A. Baratoff, H.-J.Güntherodt, Science 291,2580 (2001)
[7] Ph. Avouris, R.Wolkow,Phys. Rev B 39, 5091 (1989)
�Metallischer Sauerstoff?Im Labor wurde Sauerstoff einemDruck ausgesetzt wie er im Innernvon Planeten herrscht
In den letzten Jahren ist es im La-bor gelungen, ultrahohe Drücke imBereich einiger Megabar zu erzeu-gen (1 Mbar = 1011 Pa). Das ist fürviele Disziplinen der Physik, insbe-sondere die Geophysik, Astrophy-sik, Plasmaphysik und Materialwis-senschaften, von enormer Bedeu-tung. Beispielsweise herrschen imZentrum der Erde Drücke von etwa3,5 Mbar und im Innern der großenPlaneten Jupiter und Saturn bis et-wa 50 Mbar. Zusammen mit denhohen Drücken treten in diesenObjekten Temperaturen von einigenTausend Kelvin auf, sodass dafürder neue Begriff warme, dichte Ma-terie (warm dense matter) geprägtwurde.
Mithilfe von Diamant-Stempel-zellen gelingt es, Proben einem sta-tischen Druck von bis zu 3 Mbarauszusetzen. Leider ist es bis heutenicht gelungen, den schon von Wig-ner und Huntington 1935 vorherge-sagten metallischen Wasserstoff
Physikalische Blätter57 (2001) Nr. 6
Im Brennpunkt
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Die von einer Basler Gruppe mit einemRasterkraftmikroskop gemessene Kraft-Abstands-Kurve über dem Eckloch einerSi(111)-7×7-Einheitszelle lässt sich durchdie van-der-Waals-Kraft erklären, die aufdie Spitze einwirkt (blaue Kurve). Diesehr kurzreichweitige Kraft, die zusätz-lich über einem Adatom auftritt, ent-spricht einer chemischen Bindungzwischen Spitzenatom und Proben-Ad-atom (orange Kurve). (Abb.: H. J. Hug,Uni Basel)
Prof. Dr. HaraldFuchs, Physikali-sches Institut, Uni-versität Münster,Wilhelm-Klemm-Str.10, 48149 Münster,www.uni-muenster.de/Physik/PI/Fuchs
nachzuweisen [1]. Ein spektakulä-rer Durchbruch gelang 1996 mit ei-ner ganz anderen Methode in Li-vermore [2]. In einem zweistufigenStoßrohr wurden Aluminium-Pro-jektile auf etwa 5–8 km/s beschleu-nigt, d. h. auf etwa die irdischeFluchtgeschwindigkeit. Sie treffendann auf eine fluide Probe, die sichin einer Art Sandwich-Struktur ausAl und Al2O3 befindet. Die beimAuftreffen generierte Schockwellewird zwischen den Wänden hin undher reflektiert, sodass am Ende inder fluiden Probe Drücke von übereinem Megabar entstehen. DieTemperatur bleibt bei einem sol-chen multiplen Schockwellenexpe-
riment relativ niedrig, da die Kom-pression entlang einer Isentropeerfolgt. Sie betrug in den Wasser-stoff-Experimenten etwa 3000 Kund entspricht damit den Bedin-gungen im Inneren von Jupiter.
Durch die Messung der elektri-schen Leitfähigkeit konnte in die-sen Experimenten gezeigt werden,dass Wasserstoff bei etwa 1,4 Mbarvon einem molekularen Fluid mithalbleitendem Verhalten in einenneuen Zustand übergeht, der eineLeitfähigkeit im Bereich von eini-gen 103/(V cm) hat. Diese Wertesind charakteristisch für die Leit-fähigkeit einfacher fluider Metallewie Cs und Rb. Molekularer fluiderWasserstoff ist unter diesen Bedin-gungen so stark komprimiert, dassdie mittlere freie Weglänge ther-misch angeregter Elektronen demmittleren Abstand der Moleküleentspricht und die elektrische Lei-tung im Wesentlichen durch Hüpf-Prozesse (hopping) zwischen nächs-ten Nachbarn bestimmt ist. Es er-gibt sich die Frage, ob ein solchesVerhalten auch auf andere moleku-lare Fluide zutrifft.
Die Arbeitsgruppe um W. J. Nel-lis in Livermore hat mit derselbenMethode nun neue Ergebnisse zurelektrischen Leitfähigkeit in flui-dem Sauerstoff vorgelegt [3]. Bis zu
einem Druck von 1 Mbar steigt dieLeitfähigkeit um sechs Größenord-nungen auf Werte um 103/(V cm)an, wie sie für einfache fluide Me-talle typisch sind. Zwischen 1 und 2Mbar ist die Leitfähigkeit nur nochschwach druckabhängig, analogzum Verhalten von Wasserstoffoberhalb von 1,4 Mbar. Damitscheint in molekularen Fluiden beiDrücken um 1 Mbar generell einÜbergang von halbleitendem Ver-halten, das durch eine mit demDruck sinkende Bandlücke be-stimmt ist, zu einer Leitfähigkeitstattzufinden, die durch die zwi-schen nächsten Nachbarn stattfin-denden Hopping-Prozesse vonElektronen festgelegt ist.
Dabei ist die Natur dieses Über-gangs noch nicht vollständig ver-standen. Trägt man die Leitfähig-keit z. B. über der mit einem effek-tiven Bohr-Radius aB skaliertenTeilchendichte auf, übertreffen Sau-erstoff, Wasserstoff und Alkalime-talle wie Cs und Rb oberhalb eineskritischen Wertes von nc
1/3 aB ~ 0,25die minimale metallische Leitfähig-keit nach dem Mott-Kriterium. Die-ses sagt für Festkörper einen Über-gang vom Isolator zum Metall vor-aus, wenn der Abstand zwischenden Atomen oder Molekülen imGitter mit der Ausdehnung der Wel-lenfunktionen vergleichbar wird,sodass die Elektronen delokalisie-ren. Die Schock-Experimente zuWasserstoff und Sauerstoff wurdendagegen im warmen, fluiden Zu-stand durchgeführt, sodass zusätz-lich Effekte der Unordnung undKorrelation berücksichtigt werdenmüssen. So kann man z. B. davonausgehen, dass ein Teil der Mole-küle unter diesen hohen Drückenbereits dissoziiert ist. Computersi-mulationen zeigen außerdem, dasssich die Atome im Molekül unterdiesen Bedingungen nach nur weni-gen Schwingungsperioden neueBindungspartner suchen, sodassstarke Fluktuationen der Ladungs-dichte auftreten [4].
Das Verhalten von Wasserstoffund Sauerstoff unter hohen Drü-cken und Temperaturen ist für dasVerständnis des Aufbaus und derEvolution der großen Planeten inunserem Sonnensystem entschei-dend. Auch die mittlerweile über 60bekannten extrasolaren Planetensind weitgehend Jupiter-ähnlich.Aufgrund des meist geringen Ab-standes von weniger als einerAstronomischen Einheit zu ihrerSonne nennt man sie auch „Hot Ju-
piters“, sodass sich hier ein völligneues Feld für Planetenmodelleeröffnet. Die hier vorgestellten neu-en Daten sind für dieses Gebiet undgenerell für das Verständnis vonMaterie unter extremen Bedingun-gen von großem Interesse.
Ronald Redmer
[1] E. Wigner, H. B. Huntington,J. Chem. Phys. 3, 764 (1935).
[2] S. T. Weir, A. C. Mitchell, W.J. Nellis, Phys. Rev. Lett. 76,1860 (1996).
[3] M. Bastea, A. C. Mitchell, W.J. Nellis, Phys. Rev. Lett. 86,3108 (2001).
[4] T. J. Lenosky et al., Phys.Rev. B 55, R 11 907 (1997).
Physikalische Blätter57 (2001) Nr. 626
Im Brennpunkt
Blick auf die 20 mlange, zweistufigegas gun am Law-rence LivermoreNational Labora-tory, in der einProjektil auf bis zu8 km/s beschleu-nigt wird. Durchdie Schockwellebeim Auftreffendes Projektils aufeine Probe ent-steht in dieser einDruck von übereinem Megabar(Foto: LLNL).
Prof. Dr. RonaldRedmer, Fachbe-reich Physik derUniversität Rostock,18051 Rostock
WWW
Eigene Funde sind willkommen. Bitte schicken Sie eine e-mail mit Kurz-beschreibung an Thomas Severiens, [email protected]
Zum Jahr der Physik hat die DPG dieDenkschrift Physik: Themen, Bedeu-tung und Perspektiven physikalischerForschung herausgegeben, die die Fas-zination deutlich machen soll, die vonphysikalischer Forschung gerade heuteausgeht. All diejenigen, die bislangkein Exemplar der zurzeit vergriffenenDenkschrift ergattern konnten, findennun unter www.dpg-physik.de/denk-schrift die gesamte Denkschrift online.
Das „Handbook of Mathematical Func-tions“ kennt wohl jeder Physiker. Spä-testens die Namen der Autoren sagenalles: Abramowitz und Stegun. AmNIST läuft derzeit ein Projekt, dasszum Ziel hat, diese Buch auf denneuesten Stand zu bringen, mit interak-tiven Elementen zu ergänzen und dannim Web verfügbar zu machen. ErsteTeile sind bereits online und ziemlichbeeindruckend: dlmf.nist.gov.
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