In die Falle getappt: Elektronen auf dem Weg zum Gleichgewicht

Dr. A. Julia Stähler,
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin


„Sein oder Nichtsein“, fragt sich Hamlet, „Ja oder nein“, die Braut, „Ketchup oder Mayo?“, der Fastfood-Verkäufer. Ganz ähnlich stellt ein Computer millionenfach pro Sekunde die Frage „0 oder 1?“. Während man die Pommes notfalls auch „ohne alles“ kriegen kann, ist jedoch im Fall des Computers eine eindeutige Antwort von großer Bedeutung. Die Kernbauteile der Chips, die Transistoren, werden immer kleiner gebaut, um mehr Leistung auf geringerem Raum zu erreichen. Auf Grund quantenmechanischer Effekte, so genannter Tunnelprozesse, sind dieser Entwicklung jedoch Grenzen gesetzt: Auf die Frage „0 oder1?“ kann irgendwann keine klare Antwort mehr gegeben werden. Ursache sind Elektronen, die mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit von der einen Seite einer Grenzfläche zur anderen übergehen (tunneln). Um solche Elektronentransferprozesse zu verstehen, aber auch um auf alternative Richtungen in der Nanoelektronik hinzuarbeiten, werden verstärkt Molekül-Metall-Grenzflächen untersucht. Da die Reaktionszeit von Elektronen sehr kurz ist, im Bereich von Femtosekunden (= 0,000000000000001 s), benötigt man spezielle Laser, um ihre Dynamik aufzulösen. Mittels zeitaufgelöster Photoelektronenspektroskopie kann dann das Verhalten der Elektronen an Oberflächen „live“ beobachtet werden. Im Fall von polaren Molekülen wie H2O, welche an einem Ende eher positiv, am anderen eher negativ geladen sind, werden die Elektronen solvatisiert: Auf Grund der negativen Ladung des Elektrons richten sich die Moleküle aus und stabilisieren es nach und nach. Dieser Prozess erlaubt eine systematische Untersuchung des Elektronentransfers in das Metall, da die Molekülschicht das Elektron verstärkt „festhält“. Erst einmal eingefangen, fällt es ihm immer schwerer, auf die andere Seite der Grenzfläche zu kommen und die Antwort auf „Sein oder Nichtsein?“ wird zunehmend klarer.