Prof. Dr. Fabian Natterer Universität Zürich Schnelle Tunnelspektroskopie durch Perspektivenwechsel Donnerstag 20. November 2025, um 19:30 Uhr (morgen Abend) ETH Hauptgebäude Hörsaal HG E1.2, Rämistrasse 101 und Live Stream über Zoom

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Seit seiner Einführung durch Binnig und Rohrer bei IBM Rüschlikon im Jahr 1981 wird das Rastertunnelmikroskop (STM) für die Aufdeckung atomarer Details der Materie verehrt, aber auch von seinen Anwendern wegen des langsamen Tempos und der oft langwierigen Messungen gefürchtet. Letzteres wird bei Experimenten zur lokalen Zustandsdichte (LDOS) noch verschärft, die eine große Anzahl von Spektren erfordern, um Bandstrukturinformationen über ein grosses Sichtfeld zu erhalten.

Hier zeigen wir, wie wir durch einen Perspektivenwechsel das Messtempo des STM erheblich steigern können. Wir kombinieren «sparse sampling», das die Anzahl der benötigten Spektren reduziert, mit paralleler Spektroskopie, einer neuartigen LDOS-Technik. Beide bieten einzeln eine mehr als zehnfach schnellere Messung und in ihrer Kombination einen exponentiell schnelleren Durchsatz. Wir zeigen, wie das Anlegen einer sinusförmigen Spannung an die Nichtlinearitäten in der Strom-Spannungs-Charakteristik eines Tunnelübergangs einen Frequenzkamm aus Stromharmonischen höherer Ordnung erzeugt. Die parallele Messung ermöglicht zwar eine schnellere Tunnelspektroskopie, doch leider wird dort, wo die Ströme am grössten sind, am längsten gemittelt, was zu einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis für kleinere Signale führt, die mit Merkmalen in der Nähe des Fermi-Niveaus verbunden sind.

Wir verwenden daher einen Multifrequenz-Anregungsmodus, der die Mittelungszeit für kleine Ströme erhöht und so eine schnelle und hochauflösende Spektroskopie ermöglicht. Darüber hinaus kann die Wechselstromanregung unserer Methode verwendet werden, um den dynamischen Strombereich drastisch zu vergrößern, indem die Oberwellen niedriger Ordnung mit grosser Amplitude, die andernfalls die Vorverstärkerstufe sättigen würden, exakt und gezielt unterdrückt werden.

Diese Verbesserungen ermöglichen die Durchführung von Experimenten, die bisher mit der Haltezeit des Geräts nicht vereinbar waren.

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