title: Bildpotentialresonanzen der Aluminium-(100)-Oberfläche
title: Image Potential Resonances of the Aluminum (100) Surface
Creators: name: Winter, Matthias
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Elektronengas
aluminum
Elektron
Physik
Bildpotenzialresonanz
Zweiphotonenspektroskopie
Einfaches Metall
Festkörperphysik
excitation trapping
Spektro
Mehrphotonen-Spektroskopie
surface state
gefangene Resonanz
Bildpotentialresonanz
resonance trapping
Oberflächenzustand
Angeregter Zustand
image potential resonance

description: Image-potential resonances on the
      (100) surface of pure Aluminum are investigated
      experimentally and theoretically. The experiments are
      conducted both energy- and time-resolved using the method of
      two-photon photoemission spectroscopy. The main attention of
      the theoretical examination and extensive numerical
      calculations is devoted to the interaction between surface
      and bulk states. Image-potential resonances on Al(100) are a
      system in which a complete series of discrete Rydberg states
      strongly couples to a continuum of states. As a simple metal
      it also provides a good opportunity to test theoretical
      models of the structure of the potential at metal surfaces.
      This work represents the first high-resolution investigation
      of image-potential resonances with such strong resonance
      character. For the first time, it is demonstrated
      experimentally that isolated image-potential resonances exist
      on an Aluminum surface. On the (100) surface of Aluminum the
      second through fifth image-potential resonance are resolved
      and both, their energies and lifetimes are measured. The
      binding energies of the image-potential resonances form a
      Rydberg series of states. Within the accuracy of the
      measurement it is not necessary to introduce a quantum defect
      a (a=0.022±0.035). Using angle-resolved two-photon
      photoemission spectroscopy the effective mass of electrons in
      the second image-potential resonance is measured to 1.01±0.11
      electron masses. The lifetimes of the resonances increase as
      (1.0±0.2)·n³ fs starting from n=2. Calculations using the
      density matrix formalism show that the experimentally
      observed lifetimes can be explained well by electrons
      decaying into the bulk. The effect of resonance trapping
      leads to extended lifetimes in the process. Contrary to
      common theoretical models of image-potential states at metal
      surfaces the first image-potential resonance cannot be
      observed in two-photon photoemission on Al(100). It is shown
      that this result can be explained by the strong coupling of
      the surface states to bulk states which causes the trapping
      of resonances. The Fano effect can be observed in energy
      dependent two-photon photoemission spectra. It becomes
      evident through a strong asymmetry between signal intensities
      at energies below and above the series of resonances.
description: Im Rahmen dieser Arbeit werden die
      Bildpotentialresonanzen der (100)-Oberfläche von reinem
      Aluminium experimentell und theoretisch untersucht. Die
      Experimente werden mit der Methode der
      Zweiphotonen-Photoemissions-Spektroskopie sowohl energie- als
      auch zeitaufgelöst durchgeführt. Besonderes Augenmerk der
      theoretischen Betrachtungen liegt auf der Wechselwirkung
      zwischen Oberflächen- und Volumenzuständen. Dazu werden
      umfassende numerische Berechnungen vorgenommen.
      Bildpotentialresonanzen auf Al(100) sind ein System, bei dem
      eine vollständige Rydbergserie stark an ein Zustandskontinuum
      koppelt und das sich als einfaches Metall gut eignet, um
      theoretische Überlegungen zur Struktur des Potentials an
      Metalloberflächen zu überprüfen. Dies ist die erste
      hochauflösende Untersuchung von Bildpotentialresonanzen mit
      derart starkem Resonanzcharakter. Erstmals wird experimentell
      nachgewiesen, dass einzelne Bildpotentialresonanzen auf einer
      Aluminiumoberfläche existieren. Auf der (100)-Oberfläche von
      Aluminium wird die zweite bis fünfte Bildpotentialresonanz
      aufgelöst und sowohl ihre Bindungsenergien als auch ihre
      Lebensdauern bestimmt. Die Bindungsenergien der
      Bildpotentialresonanzen bilden eine Rydbergserie von
      Zuständen, die im Rahmen der Messgenauigkeit ohne
      Quantendefekt a auskommt (a=0,022±0,035). Die effektive Masse
      der Elektronen in der zweiten Bildpotentialresonanz wird mit
      Hilfe winkelabhängiger Messungen auf 1,01±0,11
      Elektronenmassen bestimmt. Die Lebensdauern der Resonanzen
      verhalten sich ab n=2 gemäß (1,0±0,2)·n³ fs.
      Dichtematrix-Rechnungen zeigen, dass sich die experimentell
      beobachteten Lebensdauern gut dadurch erklären lassen, dass
      die Elektronen in das Metallvolumen zerfallen. Dabei führt
      der Effekt der gefangenen Resonanzen (resonance trapping) zu
      längeren Lebensdauern. Im Widerspruch zu den gängigen
      theoretischen Modellen für Bildpotentialzustände auf
      Metalloberflächen ist die erste Bildpotentialresonanz auf der
      (100)-Oberfläche von Aluminium in der
      Zweiphotonen-Photoemissions-Spektroskopie nicht sichtbar. Es
      wird gezeigt, dass die starke Kopplung der
      Oberflächenzustände an Volumenzustände und die damit
      verbundene Bildung gefangener Resonanzen dieses Phänomen
      erklären kann. Auch der Fano-Effekt kann in
      energieaufgelösten Zweiphotonen-Photoemissions-Spektren
      beobachtet werden. Er macht sich durch eine starke Asymmetrie
      zwischen den Energien ober- und unterhalb der Resonanzserie
      bemerkbar.