Spin Chain Techniques for Scattering Amplitudes in Quantum Field Theory

Jan Plefka  and Matthias Staudacher (both IRIS Adlershof) applied the mathematical technique termed "integrability", which is borrowed from the exact solution of spin chain models in condensed matter theory, to the calculation of scattering amplitudes in four-dimensional quantum Yang-Mills theory. The latter are a class of models used at particle physics colliders such as the LHC in Geneva to study matter at very small scales and high energies.

In a joint work with Humboldt University postdoctoral researchers Livia Ferro and Tomasz Łukowski, as well as former student Carlo Meneghelli, the idea of introducing a so-called spectral parameter into the amplitude problem was born. The existence of this parameter is a hallmark of quantum integrability, as it appears in certain spin chain models and special Yang-Mills theories. The authors supplied initial evidence that the spectral parameter might find its use as a novel symmetry-respecting regulator for the vexing infrared divergences of the amplitudes. Its physical meaning is a local deformation of particle helicity, a fact that might be useful for a much larger class of non-integrable, realistic four-dimensional field theories.


Fig: A scattering amplitude of a gauge theory probed by a fictitious "test particle''. The resulting equation is a generalization of the so-called Yang-Baxter equation appearing in the mathematical description of certain spin chains of condensed matter theory, as well as in some four-dimensional quantum field theories.

Harmonic R Matrices for Scattering Amplitudes and Spectral Regularization
L. Ferro, T. Łukowski, C. Meneghelli, J. Plefka, and M. Staudacher
Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 121602
DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.121602

Scattering amplitudes in gauge theories – a new Lecture Notes in Physics Book by J. Henn and J. Plefka

At the fundamental level, the interactions of elementary particles are described by quantum gauge field theory. The quantitative implications of these interactions are captured by scattering amplitudes, traditionally computed using Feynman diagrams. In the past decade tremendous progress has been made in our understanding of and computational abilities with regard to scattering amplitudes in gauge theories, going beyond the traditional textbook approach. These advances build upon on-shell methods that focus on the analytic structure of the amplitudes, as well as on their recently discovered hidden symmetries. In fact, when expressed in suitable variables the amplitudes are much simpler than anticipated and hidden patterns emerge.

These modern methods are of increasing importance in phenomenological applications arising from the need for high-precision predictions for the experiments carried out at the Large Hadron Collider, as well as in foundational mathematical physics studies on the S-matrix in quantum field theory.

Bridging the gap between introductory courses on quantum field theory and state-of-the-art research, there has been a need for a focussed text book on the subject. Recently IRIS member Jan Plefka together with his former postdoc Dr. Johannes Henn, now at the Institute for Advanced Studies in Princeton (USA) have published the first monogrpahical text on this fundamental subject. The concise yet self-contained and course-tested lecture notes are well-suited for a one-semester graduate level course or as a self-study guide for anyone interested in fundamental aspects of quantum field theory and its applications.

The book contianes numerous exercises and solutions which help readers to embrace and apply the material presented in the main text.

Scattering Amplitudes in Gauge Theories
J. M. Henn and J. C. Plefka
ISBN: 978-3-642-54021-9 (Print) 978-3-642-54022-6 (Online)
(published 03-2014)

DOI: 10.1016/j.cplett.2013.08.030

Raman study of SP6* adsorbed on oxide surfaces

In order to exploit the potential of organic/inorganic semiconductor hybrid structures, control over the structural and electronic properties of the heterointerface is crucial. Interface formation in such hybrid structures is a very complex issue, not least due to dangling bonds, steps, and defects on the inorganic surface. Binding of molecules at such sites can cause modifications of their electronic structure or even their fragmentation resulting in ill-defined interfaces.

In a recent publication of the SFB 951 projects B9 (Stähler/Wolf) and B4 (Knorr/Rinke/Scheffler) the vibrational properties of SP6 on ZnO(000-1), ZnMgO(000-1), and Al2O3(11-20) substrates were investigated by non-resonant Raman spectroscopy.

Figure 1 shows the Raman spectra of 8 nm SP6 deposited onto the different substrates as well as the Raman response of the bare sapphire substrate itself. All SP6 spectra in Figure 1 are dominated by a band around 1300 cm-1 and a peak at 1600 cm-1. DFT calculations of isolated gas phase molecules allowed the assignment to CC-stretch and ring stretch modes, respectively. Remarkably, the substrate does not influence the vibronic response of the few monolayer thick SP6 film.

The substrate’s impact on the vibrational properties of the first SP6 monolayer is focused on in Figure 2. It shows the Raman spectra of 1.0 nm SP6 layer on ZnO (a), and on Al2O3(11–20) (b, blue). Subtraction of these spectra leads to a trace coinciding with the Raman response of ZnO(000-1) (c). If this this substrate-induced background is subtracted from the spectrum of 8.0 nm SP6/ZnO(000-1) and divided by 8, the resulting trace (b, orange) coincides almost



perfectly with the spectrum of 1.0 nm SP6/ Al2O3(11–20). This shows that there is no influence of the substrate on the Raman response of SP6 confirming that the electronic structure of SP6 is not perturbed by interaction with the substrate surface.

Fig. 1: Raman spectra of 8 nm SP6 on sapphire, ZnMgO(000-1), and ZnO(000-1). The bottom spectrum depicts the sapphire response for comparison. Inset: SP6 molecule as calculated by DFT.

Fig. 2: Comparison of 1.0 nm SP6 (mass equivalent) on ZnO(000-1) and sapphire showing that there is no substrate-induced difference in the response of the molecules. The band between 1050 and 1200 cm-1 results from phonons in the ZnO(000-1) film. The signal of 8.0 nm SP6 on ZnO(000-1) matches the 1.0 nm SP6/Al2O3 (11-20) trace after subtraction of the ZnO(000-1) signal and scaling by a factor of 8 (orange curve).

Band-Bending in Organic Semiconductors: the Role of Alkali-Halide Interlayers 
This work was supported by the DGF (SFB 951).
J. Stähler, O. T. Hofmann, P. Rinke, S. Blumstengel, F. Henneberger, Y. Li, and T. F. Heinz

Chem. Phys. Lett. 589 (2013) 74
DOI: 10.1016/j.cplett.2013.08.030

Band-bending in organic semiconductors

Band-bending in organic semiconductors, occurring at metal/alkali-halide cathodes in organic-electronic devices, is experimentally revealed and electrostatically modeled. Metal-to-organic charge transfer through the insulator, rather than doping of the organic by alkali-metal ions, is identified as the origin of the observed band-bending, which is in contrast to the localized interface dipole occurring without the insulating buffer layer.

Band-Bending in Organic Semiconductors: the Role of Alkali-Halide Interlayers 
This work was supported by the DGF (SFB 951).
H. Wang, P. Amsalem, G. Heimel, I. Salzmann, N. Koch, and M. Oehzelt

Adv. Mater. 26 (2014) 925
DOI: 10.1002/adma.201303467

Space Charge Transfer in Hybrid Inorganic-Organic Systems

To describe charge transfer in hybrid inorganic/organic systems (HIOS), we have developed a first principles approach in project B4 that explicitly includes the global effects of doping (i.e. position of the Fermi level) and the formation of a space-charge layer (see Fig. 1). For the example of tetrafluoro-tetracyanoquinodimethane (F4TCNQ) on the ZnO(000-1) surface (see Fig. 2) we show that the adsorption energy and electron transfer depend strongly on the ZnO doping.

Figure 1 illustrates schematically how charge transfer proceeds. Initially, the empty acceptor state of F4TCNQ is situated below the Fermi level. Subsequently charge is transferred to the acceptor state and the resulting dipole lifts the state up to the Fermi level. The dipole has two contributions: a short-ranged part arising from charge rearrangement at the surface (see Fig. 2 b) and a long-ranged part from the build up of a space-charge region. The latter is inversely proportional to the bulk doping concentration. For low doping concentrations band bending alone can lift up the acceptor state to the Fermi level. This reduces the required electron transfer to nearly zero.
The associated work-function changes are large, in agreement with photoemission experiments on the same system.

Fig. 1: Schematic illustration of the electron transfer to acceptor states at a surface or interface of an n-doped semiconductor (middle and right). The development of a space-charge region induces band-bending, which brings the acceptor state closer to the Fermi level (right) In an undoped intrinsic semiconductor (left) no such electron transfer can take place resulting in an empty acceptor state in the band gap.

Fig. 2: Top (a) and side view (b) of F4TCNQ adsorbed on ZnO(000-1) (2 x 1)-H (left) and the adsorption-induced electron density rearrangement for n-doped ZnO (right). Electrons flow from the yellow to blue areas upon adsorption. The electron accumulation region mimics the shape of the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the free F4TCNQ molecule.

Band-Bending in Organic Semiconductors: the Role of Alkali-Halide Interlayers 
This work was supported by the DGF (SFB 951).
H. Wang, P. Amsalem, G. Heimel, I. Salzmann, N. Koch, and M. Oehzelt

Adv. Mater. 26 (2014) 925
DOI: 10.1002/adma.201303467

Modifying the ZnO workfunction by adsorption of F4TCNQ

Hybrid inorganic/organic semiconductor (HIOS) heterojunctions have opened up new opportunities for (opto-) electronic devices due to their potential for combining the favorable properties of two distinct material classes. In project A8 we employ molecular acceptor interlayers to tune the work function of the substrate and thus change the energy level alignment (ELA) between the Fermi-level of the substrate and the energy levels of an organic semiconductor. This allows to adjust the ELA to favor e.g. energy or charge transfer across the interface.

We demonstrate, that the work function of ZnO can be controlled over wide ranges (up to 2.8 eV) by adsorbing the molecular electron acceptor F4TCNQ in the (sub-) monolayer regime. Although this is phenomenologically similar to what was observed for metal surfaces, the mechanism of the Φ increase differs markedly for the inorganic semiconductor.

ΔΦ relies on two complementary mechanisms due to electron transfer to the surface-adsorbed acceptor, i.e., band bending in the inorganic semiconductor and an interface dipole, yielding ΔΦBB and ΔΦID, respectively (see Fig. a). We find, that minute electron transfer is sufficient to induce significant ΔΦs (see Fig. b).

Controlling the work function of ZnO and the energy-level alignment at the interface to organic semiconductors with a molecular electron acceptor
This work was supported by the DGF (SFB 951).
R. Schlesinger, Y. Xu, O. T. Hofmann, S. Winkler, J. Frisch, J. Niederhausen, A. Vollmer, S. Blumstengel, F. Henneberger, P. Rinke, M. Scheffler, and N. Koch

Physical Review B 87 (2013) 155311
DOI: 10.1103/PhysRevB.87.155311

Fig. 1: Evolution of the work function (Φ) as a function of F4TCNQ nominal thickness (ʘ) on the ZnO(000-1)-O and ZnO(0001)-Zn surfaces and relative binding energy shifts ΔE of the O1s and Zn3p core levels upon adsorption of F4TCNQ.

Fig. 2: N1s core-level spectra of (i) 0.5-Å F4TCNQ on ZnO(0001), (ii) 8-Å F4TCNQ on ZnO(0001), (iii) 0.5-Å  F4TCNQ on ZnO(000-1), and (iv) 60-Å  F4TCNQ on Au. The low-binding energy component in spectrum (iv) is from F4TCNQ chemisorbed on Au with a net electron transfer of approximately 0.3-0.4 eV.

Beobachtung beeinflusst Bewegung

Eine Erfahrung aus der Alltagswelt und Grundannahme der klassischen Physik ist, dass ein dynamischer Ablauf - beispielsweise ein Bewegungsvorgang - jederzeit beobachtet werden kann, ohne dass dieser dadurch beeinflusst wird. Dieses Paradigma gilt jedoch nicht in der Quantenmechanik: Hier wird ein Messobjekt durch die Beobachtung unvermeidbar beeinflusst. Dies kann sogar so weit führen, dass der Ablauf allein durch die Messung vollständig verhindert wird, eine Bewegung so vollständig zum Erliegen kommt. In Analogie zu einem klassischen Paradoxon der Antike wird dies Quanten-Zeno-Effekt genannt.

Physikern der Humboldt-Universität zu Berlin ist nun ein Durchbruch gelungen: In einem kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review A erschienenen und in Nature News besprochenen Artikel berichten Forscher um Janik Wolters aus der Arbeitsgruppe Nano-Optik von Prof. Oliver Benson, dass es ihnen erstmals gelungen ist, den Quanten-Zeno-Effekt an einem einzelnen Elektron in einem Festkörpersystem nachzuweisen.

„Die Experimente von Wineland fanden an mehreren gefangenen Atomen, genauer Ionen, in Ultrahochvakuum-Apparaturen statt. Unser Experiment gelang an exakt einem einzelnen Quantensystem in einem Festkörper bei Raumtemperatur – ohne hohen experimentellen Aufwand“, verdeutlicht Janik Wolters. Bei dem Quantensystem der HU-Physiker handelt es sich um ein Defektzentrum oder Farbzentrum, in diesem Fall ein einfaches Stickstoffatom, das in einem Diamanten festsitzt.


Mit Mikrowellenstrahlung konnten die Forscher den Spin eines Defektzentrums drehen und über eine gezielte Laseranregung seine Orientierung messen. Dieser dynamische Prozess lässt sich mit der Drehung eines winzigen Stabmagneten vergleichen. Bemerkenswert war nun, dass die Spin-Rotation bereits durch eine einzelne Messung der Spin-Ausrichtung stark behindert werden konnte. „Der Messprozess zerstört die quantenmechanische Kohärenz und hemmt so den weiteren dynamischen Ablauf. Durch die Möglichkeit zu messen oder nicht zu messen können wir entscheiden, ob die Spin-Rotation ungestört weiter verläuft oder zum Erliegen kommt", erklärt Wolters. Neuartig ist auch, dass sich das Experiment dank der Realisierung in einem Festkörper bei Raumtemperatur erstmals beliebig oft an ein und demselben Quantenobjekt durchführen lässt. Hierdurch lässt sich ausschließen, dass der beobachtete Effekt erst durch die Mittelung über viele ähnliche Systeme entsteht.

Die Ergebnisse der Forscher sind von weit reichender Relevanz. „Wir versprechen uns ein tieferes Verständnis der quantenmechanischen Dynamik und somit weitere Einsichten in die komplexe Wechselwirkung einzelner Quantensysteme mit ihrer Umgebung", sagt Prof. Benson.


Observation of the Quantum Zeno Effect on a Single Solid State Spin
J. Wolters, M. Strauß, R. S. Schönefeld, and O. Benson
Phys. Rev. A 88, 020101(R) (2013)
DOI: 10.1103/PhysRevA.88.020101

Moderate doping leads to high performance of semiconductor/insulator polymer blend transistors

Polymer transistors are being intensively developed for next-generation flexible electronics. Blends comprising a small amount of semiconducting polymer mixed into an insulating polymer matrix have simultaneously shown superior performance and environmental stability in organic field-effect transistors compared with the neat semiconductor. Here a group of scientists including Norbert Koch, member of IRIS Adlershof, shows that such blends actually perform very poorly in the undoped state, and that mobility and on/off ratio are improved dramatically upon moderate doping. Structural investigations show that these blend layers feature nanometre-scale semiconductor domains and a vertical composition gradient. This particular morphology enables a quasi three-dimensional spatial distribution of semiconductor pathways within the insulating matrix, in which charge accumulation and depletion via a gate bias is substantially different from neat semiconductor, and where high on-current and low off-current are simultaneously realized in the stable doped state. Adding only 5 wt% of a semiconducting polymer to a polystyrene matrix, we realized an environmentally stable inverter with gain up to 60.


This new approach promotes the OFET performance while providing a simple fabrication process. With this guidance, highly transparent transistors with field-effect mobilities comparable to that of amorphous silicon, combined with environmental stability and mechanical robustness, might become feasible.

The effect of doping on the transistor performance of P3HT/PS blends and neat P3HT. In-situ evolution of the transfer characteristics (Vds= -5V, linear regime) on exposure time in ‘dilute air’ (N2 atmosphere with O2 concentration ~1 ppm and H2O ~1 ppm). P3HT/PS (5% P3HT)


Moderate doping leads to high performance of semiconductor/insulator polymer blend transistors
G. Lu, J. Blakesley, S. Himmelberger, P. Pingel, J. Frisch, I. Lieberwirth, I. Salzmann, M. Oehzelt, R. Di Pietro, A. Salleo, N. Koch, and D. Neher
Nature Communicatios 4 (2013) 1588
DOI: 10.1038/ncomms2587

Synchrone Bewegung von Elektronen in benachbarten Molekülen - ein ultraschneller Röntgenfilm über Metallkomplexe in einem Kristall

Mittels Femtosekunden-Röntgenbeugung konnten Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin (Germany) und der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (Schweiz) erstmals eine extrem schnelle, kollektive Verschiebung von Elektronen zwischen ~100 Molekülionen beobachten, nachdem sie ein einzelnes Elektron in einem Kristall aus Übergangsmetallkomplexen angeregt haben.
In der Photochemie und molekularen Photovoltaik sind sogenannte Übergangsmetallkomplexe ein weitverbreitetes System. Es besteht aus einem zentralen Metallion, an das eine Gruppe von meist organischen Liganden gebunden ist. Diese Materialen zeigen eine starke Absorption von sichtbarem oder ultraviolettem Licht - eine attraktive Eigenschaft für Anwendungen als primäre Lichtabsorber in molekularen Solarzellen oder in der molekularen Optoelektronik. Nach der Absorption von Licht beobachtet man eine extrem schnelle Verlagerung der Elektronen von dem Metallion auf die Liganden. Dieser Mechanismus ist wesentlich um eine elektrische Spannung zu erzeugen. Da in allen Anwendungen Festkörpermaterialien bevorzugt werden, sind in diesen die Übergangsmetallkomplexe sehr dicht gepackt, was zu einer starken Wechselwirkung untereinander führt. Bislang hatte man überhaupt keine Information über den Einfluß dieser gegenseitigen Wechselwirkung auf die ultraschnelle Elektronenbewegung nach der Lichtabsorption.
Um solch eine ultraschnelle Elektronenbewegung direkt in Raum und Zeit zu verfolgen, benötigt man experimentelle Methoden, die die Position von Elektronen in einem Kristall mit einer Präzision von (0.1 nm =10-10m), etwa der Abstand zwischen benachbarten Atomen, auf einer sub-100 fs Zeitskala (1 fs = 10-15s) bestimmen können. Eine solche Abbildung ist möglich, wenn man ultrakurze Röngtenblitze an den Elektronen streut, da das Beugungsmuster die Information über die räumliche Anordnung der Elektronen zu Verfügung stellt. Die Bewegung der Elektronen wird mittels eines kurzen, optischen Lichtimpulses ausgelöst, welcher ein einzelnes Elektron an einem individuellen Metallkomplex anregt. In der akutellen Ausgabe der Fachzeitschrift Journal of Chemical Physics berichten Benjamin Freyer, Flavio Zamponi, Vincent Juve, Johannes Stingl, Michael Wörner, IRIS Adlershof Mitglied Thomas Elsässer und Majed Chergui über die erste in-situ Röntgenabbildung der Elektron- und Atom-Bewegungen, die durch solch eine Elektronentransfer-Reaktion ausgelöst wurden. Sie zeigen für das Prototypmaterial [Fe(bpy)3]2+(PF6-)2, zeitabhängige "Elektronendichte-Landkarten", welche aus einzelnen Schnappschüssen mittels 100 fs kurzer Röntgenblitze gewonnen wurden. Eine Serie von Schnappschüssen für verschiedene Momente, d.h. vor, während und nach der Elektronentransfer-Reaktion, läßt sich zu einem ultraschnellen Röntgenfilm über Elektron- und Atom-Bewegungen zusammenfügen.
Zur großen Überraschung der Wissenschaftler zeigten die zeitabhängigen "Elektronendichte-Landkarten" nicht nur eine Verschiebung von Elektronen von den Eisenatomen zu den Bipyridin-Liganden, sondern auch - eine bislang unerwartete - Verlagerung von Elektronen von den PF6- Anionen zu den Bipyridin-Liganden. Eine genaue Analyse der Röntgenschnappschüsse zeigt, dass der Elektronentransfer auf etwa 30 Metallkomplexen (mit jeweils 2 PF6- Anionen) um den direkt Licht-angeregten komplex herum stattfindet. Diese  kollektive Antwort der Elektronen wird von den starken Coulomb-Kräften zwischen den unterschiedlichen Ionen hervorgerufen, welche eine Minimierung der gesamten elektro-statischen Energie des Kristalls anstreben. Solch ein Verhalten ist höchst willkommen für das Einsammeln von elektrischer Ladung in opto-elektronischen Bauelementen.
  Kugel- und Stäbchenmodell des Übergangsmetallkomplexes Eisen(II)-tris-Bipyridin [Fe(bpy)3]2+. Eisenatome (Fe) sind braune, Stickstoff (N) blaue, Kohlenstoff (C) graue und Wasserstoff (H) weiße Kugeln. Die sechs Stickstoffatome befinden sich an den Ecken eines um das Fe-Atom zentrierten Oktaeders. Die Ebenen der 3 Bipyridin Untereinheiten (N2C10H8) stehen jeweils senkrecht aufeinander.

Die Gegenionen in unserem Kristall sind jeweils zwei Hexa-fluoro-phosphat (PF6-) Ionen [Phosphor (P), Fluor (F)]. Die sechs F-Atome sind ebenfalls an den Ecken eines Oktaeders um das zentrale P-Atom angeordnet. Wir zeigen hier eine 3-dimensionale Oberfläche konstanter Elektronendichte ρ(r,t) = ρC = konst. Der Wert für ρC wurde so gewählt, dass man höchst empfindlich die Bewegung der Elektronen auf dem (PF6-) Anion verfolgen kann. Man  beobachtet einen deutlichen Abfluss (d.h. Schrumpfen der Isoelektronendichte-Oberfläche) von Elektronen vom (PF6-) Anion nach der Lichtanregung.

Die 3-dimensionale Oberfläche konstanter Elektronendichte innerhalb der Einheitszelle des Kristalls zeigt die relative räumliche Anordnung der Eisenatome (Kugeln), Bipyridin-Liganden (Bretzel-artige Objekte) and (PF6-) Anionen (Oktaeder-förmige Sterne).

Cartoon der kollektiven Ladungsverschiebung in [Fe(bpy)3]2+(PF6-)2, welche ungefähr 30 Metallkomplexe (und jeweils 2 Gegenionen) um den direkt lichtangeregten Komplex involviert. Blau: Reduktion der Elektronendichte, rot: erhöhte Elektronendichte.



Ultrafast inter-ionic charge transfer of transition-metal complexes mapped by femtosecond X-ray powder diffraction
B. Freyer, F. Zamponi, V. Juvé, J. Stingl, M. Woerner, T. Elsaesser, and M. Chergui
J. Chem. Phys. 138 (2013) 144504
DOI: 10.1063/1.4800223


Quantenlicht aus Diamant und Plastik

Einem Team aus Forschern um Prof. Oliver Benson, Mitglied von IRIS Adlershof, ist es gelungen, mit einem sehr einfachen Verfahren stabile Quellen für einzelne Lichtquanten herzustellen. Bei der in dieser Woche in der Open Access Fachzeitschrift Scientific Reports der Nature Publishing Group veröffentlichten Arbeit wählten die Forscher einen ungewöhnlichen Hybridansatz durch Kombination von zwei ganz verschiedenen Materialien.
Zum einen waren dies kleinste Diamantsplitter. Diamant enthält neben Kohlenstoff auch andere Atome als natürliche Verunreinigungen. Diese Fremdatome sind als so genannte Farbzentren für die gelbliche oder bläuliche Färbung natürlicher Diamanten verantwortlich. Wegen ihrer geringen Größe von nur einigen wenigen Millionstel Millimetern enthielten die Diamantsplitter bisweilen nur jeweils ein einzelnes Farbzentrum, das dann gezielt mit Hilfe von Laserlicht angeregt werden konnte. Das Farbzentrum gibt die Anregungsenergie dann durch Emission von einzelnen Lichtquanten, oder Photonen, wieder ab.
Die Forscher vermischten nun die Diamantsplitter mit einem speziellen Photolack.


Durch Bestrahlung der Lackschicht mit einem fokussierten Laserstrahl konnte der Lack lokal polymerisiert d.h. in Plastik umgewandelt werden. Auf diese Weise können nahezu beliebige dreidimensionale Strukturen geschrieben werden, die dann einzelne Diamamtsplitter mit einzelnen Farbzentren als Quantenlichtquellen enthalten. Das Team konzentrierte sich zunächst auf optische Wellenleiter und Resonatoren, mit denen dann die von den Farbzentren abgegebenen Photonen mit hoher Effizienz eingesammelt und weitergeleitet wurden.
Ein großer Vorteil des neuen hybriden Materialsystems ist zum einen die gut etablierte und sehr preiswerte Herstellungsmethode und zum anderen die unbegrenzte Stabilität der Photonenemission auch bei Zimmertemperatur. Die Forscher arbeiten nun daran, die neuen Strukturen mit anderen optischen Instrumenten zu kombinieren. Auf diese Weise ließen sich zahlreiche Anwendungen im Bereich der hochauflösenden Mikroskopie, der optischen Sensorik oder auch der Quanteninformationsverarbeitung verlässlich und kostengünstig realisieren.

Abbildung: (a) Prinzip der Herstellung von scheibenförmigen optischen Resonatoren und gebogenen Wellenleitern durch lokale Polymerisierung eines Photolacks durch einen fokussierten Laserstrahl.
(b) Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Teststruktur.
(c) Prinzip der Messung und Erzeugung von Quantenlicht. Ein Diamantsplitter mit einem Farbzentrum wird durch einen Laser optisch angeregt. Die abgegebenen einzelnen Photonen werden durch den Resonator gesammelt und in den Wellenleiter geleitetet, an dessen Enden sie detektiert werden.
(d) Rasterfluoreszenzaufnahme der in (c) abgebildeten Struktur. Der fluoreszierende einzelne Diamantsplitter ist eingekreist.
  Three-dimensional quantum photonic elements based on single nitrogen vacancy-centres in laser-written microstructures
A. W. Schell, J. Kaschke, J. Fischer, R. Henze, J. Wolters, M. Wegener, and O. Benson
Scientific Reports 3 (2013) 1577:1-5
DOI: 10.1038/srep01577

Organische Elektronik: Wie der Kontakt zwischen Kohlenstoffverbindungen und Metall gelingt

"Organische Elektronik" steckt schon heute im Display von Smart-Phones und verspricht auch in Zukunft interessante Produkte, zum Beispiel biegsame Leuchtfolien, die Glühbirnen ersetzen sollen, oder Solarzellen, die Sonnenlicht in Strom umwandeln. Ein Problem besteht dabei stets darin, die aktive organische Schicht gut mit Metallkontakten zu verbinden. Auch für diese Aufgabe werden oft organische Moleküle eingesetzt. Allerdings war es bisher nicht möglich, genau vorherzusagen, welche Moleküle diese Aufgabe auch erfüllen. Sie mussten daher im Wesentlichen durch Ausprobieren identifiziert werden. Nun ein hat internationales Team von Wissenschaftlern um Dr. Georg Heimel und Prof. Dr. Norbert Koch (IRIS Adlershof) vom HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin herausgefunden, was diese Moleküle miteinander gemeinsam haben. Ihre Ergebnisse könnten es ermöglichen, die Kontaktschichten zwischen Metallelektroden und aktivem Material in organischen Bauelementen gezielter zu verbessern.

Über ihre „Sauerstoff-Ausleger“ nehmen die untersuchten organischen Verbindungen Kontakt zu den Atomen der Metalloberfläche auf. Dadurch verändern sich ihre elektronischen Eigenschaften.
Bild: Georg Heimel/HU Berlin

„Wir arbeiten seit mehreren Jahren an dieser Fragestellung und konnten nun mit einer Kombination unterschiedlicher Mess- methoden und theoretischer Berechnungen ein schlüssiges Bild erhalten“ sagt Georg Heimel. Dabei haben die Forscher systematisch Moleküle untersucht, deren Rückgrat aus einer Reihe von aromatischen Kohlenstoffringen gebildet wird.  Die Kandidaten unterschieden sich nur in einem Detail: aus dem Rückgrat ragten unterschiedlich viele Sauerstoffatome. Diese so modifizierten Moleküle brachten sie auf die typischen Kontaktmetalle Gold, Silber und Kupfer auf.

Mit Photoelektronen-Spektroskopie (UPS und XPS) an der Synchrotron- strahlungsquelle BESSY II des HZB konnten sie die chemischen Bindungen zwischen Metalloberfläche und organischen Molekülen ermitteln sowie die Energieniveaus von Leitungselektronen messen.


Den exakten Abstand der Moleküle zur Metalloberfläche bestimmten Kollegen von der Universität Tübingen mit Hilfe von X-Ray-Standing-Wave-Messungen, die sie an der Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble durchführten.

Mit Photoelektronen-Spektroskopie (UPS und XPS) an der Synchrotron-strahlungsquelle BESSY II des HZB konnten sie die chemischen Bindungen zwischen Metalloberfläche und organischen Molekülen ermitteln sowie die Energieniveaus von Leitungselektronen messen. Den exakten Abstand der Moleküle zur Metalloberfläche bestimmten Kollegen von der Universität Tübingen mit Hilfe von X-Ray-Standing-Wave-Messungen, die sie an der Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble durchführten.

Dabei zeigte sich, dass die untersuchten Moleküle bei nahem Kontakt der „Sauerstoff-Ausleger“ mit einigen der Metalloberflächen ihre innere Struktur so veränderten, dass sie ihre halbleitenden Eigenschaften verloren und die metallischen Eigenschaften der Oberfläche annahmen. Trotz vergleichbarer Voraussetzungen zeigte das „nackte“ Rückgratmolekül diesen Effekt nicht. Aus der Beobachtung welche der untersuchten Moleküle sich auf welchem Metall so drastisch veränderten, konnten die Forscher nun allgemeine Richtlinien ableiten. „Wir haben jetzt eine recht genaue Vorstellung davon, wie Moleküle aussehen sollten und welche Eigenschaften sie mitbringen müssen, damit sie gut zwischen einem aktiven organischen Material und einem Metall vermitteln, also gewissermaßen einen Soft Metallic Contact formen“, meint Heimel.

An der Publikation sind auch Experten weiterer Universitäten in Deutschland sowie aus Forschungseinrichtungen in Suzhou (China), Iwate und Chiba (Japan) sowie der ESRF (Frankreich) maßgeblich beteiligt.

Charged and metallic molecular monolayers through surface-induced aromatic stabilization
G. Heimel, S. Duhm, I. Salzmann, A. Gerlach, A. Strozecka, J. Niederhausen, C. Bürker, T. Hosokai, I. Fernandez-Torrente, G. Schulze, S. Winkler, A. Wilke, R. Schlesinger, J. Frisch, B. Bröker, A. Vollmer, B. Detlefs, J. Pflaum, S. Kera, K. J. Franke, N. Ueno, J. I. Pascual, F. Schreiber, and N. Koch
ature Chemistry 5 (2013) 187–194
DOI: 10.1038/nchem.1572

Molecules working together in new ways: Cooperative electrostatic effects can dominate charge-transport phenomena in self-assembled monolayers

The ultimate miniaturization of (opto-)electronics lies in individual molecules performing the functions usually attributed to silicon-based devices, such as switching electrical current. As reliably “wiring up” individual molecules has proven difficult, using monomolecular layers instead is technologically more promising. Usually, however, the chemical design of the constituting molecules still proceeds with the properties of a single one in mind, because most direct intermolecular interactions are weak. During his research stay at the Humboldt-Universität, IRIS Adlershof - sponsored visiting scientist David Egger showed that this approach can lead to surprises. He demonstrated that even the most basic property of any electronic device, the current passing through at a given voltage, can differ drastically between monolayer devices made from almost identical molecules that exhibit virtually the same electronic properties when considered individually. The key lies in how exactly charge is distributed among the atoms within the molecules. The resulting electrostatic fields, while negligible for a single molecule, can add up in tightly packed layers, thus indirectly affecting their charge-transport properties.


Considering these cooperative electrostatic effects in molecular design for future monolayer devices will enable better control over their functionality and performance.

The collective electrostatic action of dipolar bonds at both ends of the molecules raises the electrostatic potential in the center of the monolayer (red region). Thereby, the quantum-mechanical states through which current can flow are lifted up in energy to more favorably align with those of external metal electrodes.

Polarity Switching of Charge Transport and Thermoelectricity in Self-Assembled Monolayer Devices
D. A. Egger, F. Rissner, E. Zojer, and G. Heimel
Adv. Mater. 24 (2012) 4403-4407
DOI: 10.1002/adma.201200872

Organic Thin-Film Transistors Adressable by Light

Organic semiconductors are key components for the development of printable, flexible, and large-area electronics. To realize complex device functions the materials should exhibit several (meta-stable) states, between which can be switched selectively with different stimuli ("addressing"). Amongst possible stimuli, light is very attractive as it provides unprecedented spatio-temporal control and can be easily interfaced with advanced optics. However, in order to introduce light-responsiveness in organic devices photoswitchable molecular building blocks have to be incorporated into the material, ideally in a convenient and practical process. An international research team including Stefan Hecht and Norbert Koch – both members of IRIS Adlershof – has now realized such “smart“ transistors that can be addressed by light. As described in their article in Nature Chemistry the authors demonstrated a new concept by introducing photoswitchable electron-hole traps into the active layer of the device. These specifically designed small molecules are able to interfere with the charge flow through the transistor’s semiconducting polymer in one particular state, which is generated by illumination with UV-light. Illumination with visible light disables the traps and re-establishes the initial state, in which charge flow is not affected (see Figure).


The new method of simple blending of trap molecules with the semiconductor matrix is highly effective yet simple, and hence applicable to large-scale device fabrication processes. The light-programmable transistors could serve as multifunctional elements in logic circuits.

Fig.: “Smart“ transistors gated by light: UV-illumination transforms ring-open dithienylethene (blue) to its ring-closed isomer (red), which effectively traps holes in the semiconducting poly(3-hexylthiophene) (P3HT) matrix. Illumination with visible light reverts the process and reinstalls charge flow through the device.

Organic Thin-Film Transistors Adressable by Light
E. Orgiu, N. Crivillers, M. Herder, L. Grubert, M. Pätzel, J. Frisch, E. Pavlica, D. T. Duong, G. Bratina, A. Salleo, N. Koch, S. Hecht, P. Samorì
Nature Chemistry 4 (2012) 675–679
DOI: 10.1038/nchem.1384