Vorträge im SS 2008

Dr. Takashi Uchihashi, Nano System Functionality Center, National Institute for Materials Science, Japan

Electronic Tuning of the Kondo resonance with Cu/Co/Cu(100) Multilayers (22. Juli 2008)

The recent advancement of the spintronics has raised a strong interest in spin manipulation and in tailoring exchange interaction at the atomic scale. The observation of spin-related phenomena using scanning tunneling microscope (STM) and their control with artificial nanostructures are crucial for realizing such promises. Here we demonstrate such a control over the Kondo effect, a representative phenomenon resulting from the exchange interaction of a local spin with surrounding conduction electrons. A low-temperature STM reveals modulation of the Kondo temperature (TK) of Co adatoms on Cu/Co/Cu (100) multilayers with various Cu overlayer thicknesses from 20 to 5 ML. The TK change is attributed to variations of the local density of states at the Fermi level on the surface due to formation of quantum well states. Much of this variation is reproduced by a model calculation based on the quantum oscillations at the belly and the neck of the Cu Fermi surface.
 
Dr. Kai Roßnagel, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der CAU Kiel

Wundersame Elektronen in Schichtkristallen – k-Raum-Tomographie mit Synchrotronstrahlung (15. Juli 2008)

Photoelektronen-Spektroskopie kombiniert mit Synchrotronstrahlung gibt eine der leistungsfähigsten experimentellen Methoden zur Bestimmung der elektronischen Struktur von Festkörpern und ihren Oberflächen. Was derzeit möglich ist und wo die Grenzen liegen, das wird zunächst anhand von Modellsystemen aus dem Bereich der Schichtkristalle demonstriert. Anschließend werden zwei überraschende elektronische Phänomene in Schichtkristallen mit Photoemissionstechniken aufgeklärt: die hohe Stabilität von Fehlanpassungsstrukturen sowie ein ausgeprägter Metall-Isolator-Übergang, der - kontraintuitiv - durch Zugabe von Elektronen entsteht. Zum Schluss wird gezeigt, welche Perspektiven sich in der Spektroskopie durch die neuen Synchrotronstrahlungsquellen "vor unserer Haustür" eröffnen.
 
Prof. Dr. Stefan Bornholdt, Institut für Theoretische Physik, Universität Bremen

Molekulare Netzwerke: Die Computer der lebenden Zelle (8. Juli 2008)

Wie steuert eine lebende Zelle ihre Lebensprozesse? Es wäre der Alptraum eines jeden Uhrmachers, eine solche Steuerung konstruieren zu müssen: Zahlreiche Lebensfunktionen müssen hier zuverlässig gesteuert werden, als Baumaterial für diesen Steuerungscomputer stehen allerdings keine zuverlässig arbeitenden Zahnräder sondern lediglich Wasser und darin schwimmende Moleküle zur Verfügung. In der Natur finden wir an vielen Stellen Netzwerke aus Signalmolekülen, wie genetische Netzwerke oder Protein-Netzwerke, die in der Tat sehr robust funktionieren. Die Zellteilung der Hefe beispielsweise, für Bier- und Brotherstellung unerlässlich, wird durch ein solches Netzwerk sichergestellt. Die Biochemie dieses Steuerungsnetzwerks kennen wir im Detail, doch die Ursache seiner großen Zuverlässigkeit ist daraus nicht leicht ablesbar. Deshalb studieren wir hier diese Netze aus der Sicht der Statistischen Physik und Nichtlinearen Dynamik, werden damit nach den Ursachen ihrer Robustheit fahnden und schließlich feststellen, dass wir sehr einfache Modelle für solche Netze bauen können. Diese können vielleicht einmal in den Biowissenschaften als Werkzeug dienen. Testen werden wir sie am Beispiel der Zellteilung einer ostafrikanischen Bierhefe.
 
(Festvortrag aus Anlass der Pensionierung von Prof. Dr. Heinz Georg Schuster und dem 70. Geburtstag von Prof. Dr. Friedrich Wagner) Prof. Dr. Wolf Widdra, Institute of Physics, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Halle (Saale)

Long-range order, chiral structures, and polymerization of sexithiophene monolayers on noble metal surface (1. Juli 2008)

The growth of alpha-sexithiophene (6T) on Au(111), Au(001), and Ag(001) noble metal surfaces has been studied by variable-temperature scanning tunneling microscopy (STM) and low energy electron diffraction (LEED). The 6T molecules have been sublimated from a homebuilt Knudsen cell. On all substrates, sub-molecularly resolved STM images reveal long-range ordered molecular structures within the monolayer and thin films. The observed molecular arrangements are driven by intermolecular interactions and lead to highly ordered chiral structures, dominated in all cases by rows of flat-lying molecules. In this talk the concepts of organic layer formation on noble metal surfaces will be discussed with special emphasis on the intralayer molecule-molecule interactions and the ‘vertical’ molecule-substrate interaction. The experiments show that depending on the vertical interaction strength rather different organic layer structures follow. Due to the asymmetry of the thiophene ring, sexithiophene molecules adsorb either as righthanded or as left-handed molecules. However, for all ordered structure a well-defined chirality is observed. This will be explained by a growth process which includes chiral selfrecognition and leads to a separation into large homochiral domains. Whereas most structures are formed by linear (all-trans) molecules, highly ordered domains of molecules which have all undergone a concerted cis-trans isomerization have been also identified. At elevated temperatures up to 500 K in-situ STM allows to observe the initiation of chemical reactions between individual molecules on Ag(001) and on Au(001). This leads to the formation of a molecular network which is the onset of thiophene polymerization.
 
Prof. Dr. Klaus Kern, Max-Planck-Institut für Festkörperforschung Stuttgart und Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

The small frontier: building the nanoworld atom-by-atom (24. Juni 2008)

Nanoscience, the probing and manipulation of matter at the atomic scale, takes us to the quantum world, where the properties of materials are dramatically different. The “small frontier” is demanding new tools and new understanding, but it may hold the key to a second industrial revolution. The aim is to gain control of materials at the atomic and molecular level, allowing us to design materials and devices with properties and functionalities tailored to specific needs. The success of this endeavor will allow the fundamental discoveries of nanoscience to find wide application. Nanostructures are recognized to be the key components of future communications, printing, computing, chemical sensing and energy storage and conversion technologies. At the interface to biology the new field of nano-biotechnology is developing with brilliant prospects for life science and health care.
 
Prof. Dr. Klaus Wiesemann, Lehrstuhl für Allgemeine Elektrotechnik und Plasmatechnik, Ruhr-Universität Bochum

Hans Geiger – Physiker am Beginn der Moderne (17. Juni 2008)

(Veranstaltung zur Umbenennung des Kleinen Hörsaals im Physikzentrum als Hans Geiger Hörsaal) Hans Geiger hat wesentlich zum Umbruch der Physik am Anfang des 20 Jahrhunderts beigetragen. Daher wird neben einem kurzen Lebensabriss die Situation der Physik am Ende des 19. Jahrhunderts dargestellt – insbesondere der in diesem Zusammenhang wichtige Stand der Untersuchungen zum sog. “Elektrizitätsdurchgang durch verdünnte Gase” (mit Bildern historisch wichtiger Gasentladungen) - um auf diesem Hintergrund das Lebenswerk von Hans Geiger zu würdigen. Eine fünfseitige Publikation, die er zusammen mit Marsden 1909 veröffentlichte, führte zur Entdeckung des Atomkerns, und begründete so die Kernphysik. Besonders hervorzuheben sind des Weiteren Geigers Beiträge zur Entwicklung von Nachweis - und Messmethoden für radioaktive (allgemeiner: ionisierende) Strahlung. Durch den Geigerzähler, einen gasgefüllten Strahlungsdetektor, ist der Name Geigers in den allgemeinen Sprachgebrauch eingegangen. Eine kurze Diskussion der auf seinen Arbeiten beruhenden Weiterentwicklungen gasgefüllter Teilchendetektoren im Bereich der modernen Hochenergie- und Teilchenphysik beschließt den Vortrag.
 
Prof. Dr. Reinhard Schlickeiser, Institut für Theoretische Physik: Weltraum- und Astrophysik, Ruhr-Universität Bochum

Von OSO-3 bis HESS-2: Die Erfolgsgeschichte der Gammaastronomie (3. Juni 2008)

Gammaastronomie basiert auf dem Nachweis kosmischer Photonen mit Energien größer als 100 keV sowohl mit satellitengetragenen Detektoren als auch mit bodengebundenen Luft-Cherenkov-Teleskopen. Anhand von Himmelsdurchmusterungen der letzten 40 Jahre zeigt sich der enorme Fortschritt unseres Kenntnisstands, der Rückschlüsse auf die Natur kosmischer Teilchenbeschleuniger ermöglicht. Die Beziehungen zur Physik kosmischer Strahlung und zur Hochenergie-Neutrino-Astronomie werden aufgezeigt.
 
Prof. Dr. Hans-Walter Rix, Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg

Was wir von unserer eigenen Milchstraße über die Entstehung von Galaxien lernen können (27. Mai 2008)

Unsere Milchstraße ist die einzige Galaxie die wir im Moment 3-dimensional auflösen können. Es stellt sich heraus, dass die so erkennbare (Sub-)Struktur im Phasenraum der Sternverteilung unserer eigenen Galaxie sich hervorragend als Test für das globale Paradigma der Galaxienentstehung eignet, die sog. hierarchische Strukturbildung. Jüngst erzielte Durchbrüche in der Kartierung der Milchstraße erlauben jetzt detaillierte Vergleiche numerischen Simulationen ihrer, durch dunkle Materie dominierten, Entstehung.
 
Prof. Dr. Mads Brandbyge, DTU Nanotech –Department of Micro- and Nanotechnology, Kongens Lyngby, Denmark

Electronic conductance properties of molecules and nanowires: In-silico studies (6. Mai 2008)

Computer simulation and theoretical modelling play an important role in the emerging field of nanoelectronics with device dimensions down to the molecular scale. Interpretation of experimental results and prediction of novel mechanisms for device operation poses many challenges – especially for first principles theory, that is calculations without fitting parameters. We have developed methods based on density functional theory (DFT) and non-equilibrium Greens functions (NEGF) in order to address aspects of electron transport though nanoconductors from first principles. In this talk I will briefly introduce our method, and then discuss recent applications to molecular electronics and nanowires.
 
Prof. Dr. R.J. Behm, Institut für Oberflächenchemie und Katalyse, Univ. Ulm

Surface Science → Oberflächenchemie → Heterogene Katalyse: Von molekularen Elementarprozessen zu komplexen Reaktionen und Prozessen (29. April 2008)

Mit der Entwicklung der Heterogenen Katalyse als bedeutendem wirtschaftlichen Zweig zu Beginn des letzten Jahrhunderts wuchs der Bedarf nach einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden Phänomene. Die Vorstellung, über ein detailliertes Verständnis der bei der Heterogenen Katalyse ablaufenden Oberflächenprozesse letztlich optimierte Katalysatoren und Verfahren entwickeln zu können, war daher eine der wesentlichen Triebkräfte für die Entwicklung der modernen Oberflächenwissenschaften (‚Surface Science’). Erst jetzt, nach praktisch einem Jahrhundert, ist diese Ziel mit der Entwicklung der modernen Ultrahochvakuum-Technologie in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts, einer immer noch zunehmenden Zahl von spektroskopischen und mikroskopischen oberflächenempfindlichen Messmethoden sowie, insbesondere im Laufe des letzten Jahrzehnts, leistungsfähiger theoretischer Verfahren, in erreichbare Nähe gerückt. Die Entwicklung allgemeiner Methodologien zur Erforschung von molekularen Oberflächenprozessen wurde im letzten Jahr mit der Verleihung des Nobelpreises für Chemie an Prof. Dr. G. Ertl gewürdigt. In dem Vortrag werden die zugrunde liegenden Ansätze zur Beschreibung komplexer katalytischer Reaktionen und Prozesse auf der Basis einfacher molekularer Elementarprozesse anhand von Beispielen dargestellt. Die Rolle idealisierter Modellsysteme und Reaktionsbedingung (‚pressure and materials gap’) für die Übertragung der Ergebnisse aus Modelluntersuchungen auf realistische Katalysatorsysteme und Reaktionsbedingen werden diskutiert, und schließlich neue Ansätze zur Überwindung daraus resultierender Einschränkungen vorgestellt.
 
Prof. Dr. Bo Hellsing, Department of Physics, Göteborg University

Two-dimensional localization of fast electrons in ρ(2x2)-Cs/Cu(111) (22. April 2007)

The system ρ(2 x2)-Cs/Cu(111) reveals a manifold of surface localized electronic states, such as image states, quantum well states, and surface resonances. We find an electronic state with a band energy above the vacuum level while strictly localized at the Cs monolayer. An electron populating this state will have a large in-surface-plane kinetic energy and, presumably, a very long lifetime. The state could be an interesting tool for control of electron induced surface reactions.
 
Prof. Dr. Stefan Wagner, Landessternwarte Heidelberg-Königstuhl

Teilchen-Astrophysik mit dem HESS Experiment (15. April 2008)

Das HESS Experiment, bestehend aus vier atmosphaerischen Cherenkovteleskopen, hat ein neues Fenster fuer astrophsikalische Forschung bei hoechsten Energien geoeffnet und ermoeglicht quantitative Untersuchung "kosmischer Tevatrons". Mit diesen leistungsstaerksten Beschleunigern im Universum werden Fragen der Astrophysik, der Teilchenphysik und der beobachtenden Kosmologie untersucht. Der Stand des Experiments, neue Resultate aus den verschiedenen Bereichen und zukuenftige Plaene werden vorgestellt.
 
Kolloquiumsvorträge im Rahmen der Besetzung der W3-Professur für Theoretische Physik Dr. Reinhard Scholz, Walter Schottky Institut, Technische Universität München

Spektroskopische Eigenschaften von Molekülkristallen (15. Mai 2008)

Organische Halbleiter sind eine attraktive Materialklasse für neuartige optoelektronische Bauelemente, insbesondere effiziente Lichtquellen und kostengünstige Solarzellen. In beiden Fällen findet ein Wechselspiel zwischen verschiedenen Materialaspekten statt: Injektion oder Extraktion von Ladungen an den Grenzflächen zu den Kontaktmaterialien, Transport von Ladungen innerhalb des organischen Materials, sowie die Wechselwirkung von exzitonischen Anregungen mit Licht. Neutrale Molekülanregungen bilden in periodischen Kristallen Bloch-Wellen, die als Frenkel-Exzitonen bezeichnet werden. Zusätzlich kann es im Festkörper zu Ladungstransfer (charge transfer, CT) zwischen benachbarten Molekülen kommen. Für Molekülkristalle von Perylenverbindungen wird gezeigt, dass Frenkel-Exzitonen und CTZustände sowohl die lineare optische Antwort als auch das Emissionsverhalten bestimmen. Für das Referenzmaterial PTCDA (PerylenTetraCarbonsäureDiAnhydrid) ist die Vermischung dieser beiden Kristallanregungen relativ gering, so dass die Frenkel-Exzitonen die Form der Absorptionslinie festlegen. Bei der Chemisorption von Molekülen auf Kontaktmetallen tragen mehrere Mechanismen zur Bindungsenergie bei: Bindende Orbitale zwischen Substrat und Molekül, Ladungstransfer und vander- Waals-Wechselwirkung. Für das Referenzsystem PTCDA auf Ag(110) wird gezeigt, dass Dichtefunktionaltheorie für die Beschreibung nicht geeignet ist, weil sie keine Dispersionswechselwirkung enthält. Im Gegensatz dazu berücksichtigt die Møller-Plesset-Störungsrechnung zweiter Ordnung den wichtigsten Beitrag zur van-der-Waals-Wechselwirkung, so dass eine Adsorptionsgeometrie gefunden wird, die mit den Messergebnissen quantitativ übereinstimmt.
 
Prof. Dr. Werner Hofer, Surface Science Research Centre, The University of Liverpool

Theoretische Festkörperphysik und numerisches Experiment (15. Mai 2008)

Um Aufschluss über Strukturen und Prozesse im atomaren Bereich zu erlangen, bedient man sich heute meist eines Rastersondenmikroskops. Dieser Begriff umfasst eine ganze Klasse von Instrumenten, am bekanntesten ist das Rastertunnelmikroskop, heute ein Standardwerkzeug der Oberflächenphysik. Nach einer kurzen Einführung in dieses Instrument möchte ich zunächst diskutieren, vor welchen Problemen eine exakte theoretische Beschreibung von Rastertunnelmikroskopen steht. Die Genauigkeit der Messungen, die zur Zeit auch elementare physikalische Prozesse sichtbar machen kann, erfordert die Entwicklung spezieller Modelle, die einen numerischen Vergleich mit experimentellen Daten erlauben. Ich werde diese Modelle kurz vorstellen und dann anhand der Arbeiten meiner Gruppe in den letzten fünf Jahren erläutern, warum Theorie in diesem Bereich notwendig ist, wie sie angewendet wird, und inwieweit sie die Erkenntnisse aus den Messungen erweitert. In diesem Vortrag werde ich mich auf einige Anwendungen des theoretischen Modells beschränken. Im Bereich magnetischer Systeme untersuche ich die Änderung des magnetischen Kontrasts von Kobalt Inseln um eine Größenordnung und die Änderung der Kondo-Temperatur an einem Kobalt Atom durch kontinuierliche Änderung der atomaren Koordination. Es wird auch gezeigt, dass Vibrationen im Experiment oft nur schwer von Kondo Resonanzen unterschieden werden können. Ein wesentlicher Bereich unserer Forschung in Liverpool beschäftigt sich mit molekularer Selbstorganisation auf Metall- und Halbleiteroberflächen. Dazu dienen, auf Metallen, etwa speziell geschnittene Kristalle, während auf Halbleitern die lang reichweitige Ordnung durch chemische Reaktionen oder polare Wechselwirkungen bestimmt wird.
 
Dr. Reinhard Scholz, Walter Schottky Institut, Technische Universität München

Driving Nanoscience by Theory (15. Mai 2008)

Recent advances in experimental techniques to create and probe surface structures atomby- atom, to synthesize new materials such as molecular magnets, and to fabricate novel devices, e.g. carbon nanotube transistors, challenge our theoretical understanding of nanoscale systems. Because of its predictive power density functional theory and its wide applications e.g. to quantum transport have become driving forces in nanoscience. Based on these theoretical tools we can explain and even predict the structural, electronic, chemical, magnetic, and transport properties of a diverse spectrum of systems. To illustrate this I will show how we can explore the complex magnetic phase space at surfaces, interpret and suggest scanning tunneling and exchange force microscopy experiments, tailor and manipulate molecular magnets, and understand ballistic transport in nanoscale systems.
 
Dr. Matthias Eschrig, Institut für Theoretische Festkörperphysik, Universität Karlsruhe

Interplay between spin excitations and electronic excitations in High-Tc Superconductors(16. Mai 2008)

In the past decade, single particle excitations and collective spin excitations have been experimentally studied in great detail in high-Tc superconductors by angle resolved photoemission techniques and by inelastic neutron scattering experiments, respectively. This gives for theoretical investigations the unique opportunity to study momentum resolved interactions between the two types of excitations. We have developed a model that allows us to give a unified explanation for numerous anomalies that are observed in the single particle spectra of these materials in terms of a strong interaction with a collective spin-1 resonance mode present in the superconducting state.
 
Dr. Per Hyldgaard, Mikrotechnologie und Nanowissenschaften, MC2, Chalmers University of Technology, Göteborg

Macromolecular interactions, nanostructure engineering and dynamics(16. Mai 2008)

Life processes rest on noncovalent molecular interactions that include ionic and van der Waals bonding. The interplay of covalent and noncovalent bonds determines the morphology changes and charge transfer that arise in a molecular interaction. The conformation and charge-transfer state controls, in turn, subsequent molecular processes. The subtle interplay of interactions provides at the same time DNA stability and selective protein transcription. We have learned to use some of the interaction interplay to induce molecular self assembly on surfaces in nanostructures. This provides opportunities for a direct probing of the molecular organization, for example, using scanning tunneling microscopy. It makes possible nanostructure engineering and investigations of the electron dynamics in molecular systems. Molecular interactions, nanostructure enginering, and nanostructure dynamics are fundamental challenges for condensed-matter physics. The electron interaction is of central importance in all these exciting phenomena and the complexity fuels development in many-body and surface-physics theory. My presentation will summarize recent work to apply density functional and many-body theory in calculations of bonding in carbon materials, of adsorbate interactions and dynamics, and of current-induced dynamics. My presentation will focus on a summary of recent work to extend the density functional theory description with a physics-based account of the van der Waals interaction. The new density functional description permits us to perform first-principle, transferable calculations of general electronic interactions in graphitics and molecular systems.
 
Dr. Karsten Reuter, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin

First-Principles Statistical Mechanics Approaches to Surface Physics and Catalysis(16. Mai 2008)

A wide variety of properties and functions of solid surfaces arises out of the complex interplay of a larger number of molecular processes. While the individual process properties are determined at the electronic structure level, their statistical interplay develops only over mesoscopic lengths and times. First-principles statistical mechanics approaches address this by aiming at an accurate description of all individual elementary processes through first-principles electronic structure theory calculations, and combining them appropriately within a thermodynamic or statistical mechanic framework. Critical to assigning the desired predictive quality to such simulations are robust links between the two theories with error control across the scales. Each theory has approximations that introduce uncertainty, and bridging from one to the other gives rise to additional uncertainty. Only a stringent control of how these multiple sources of uncertainty affect the final multi-scale results allows to propagate an initial base accuracy up the increasing length and time scales. I will sketch corresponding modeling attempts for the field of surface physics and catalysis, concentrating particularly on a description of molecular networks at surfaces and surfaces in contact with technologically relevant gas-phases.