Quantum corrals are artificially constructed nanostructures in which electrons are laterally confined on a surface. In this thesis, quantum corrals assembled from carbon monoxide molecules on Cu(111) are investigated. The central question is how the confined electrons interact with their environment. Two complementary aspects are considered: the interactions of the confined electrons with their environment along the surface and their influence on the lifetime of the corral states, as well as the force interaction with an AFM tip perpendicular to the surface.

In the first part, the spectral properties of corral states are investigated by scanning tunneling spectroscopy. Spatially and energetically resolved dI/dV measurements are analyzed using wave functions obtained from a hard-wall model to extract the energy distributions of individual corral states. The observed distributions are predominantly described by Gaussian line shapes. Their widths depend on both the state energy and the corral size: Larger corrals exhibit narrower energy distributions and therefore longer state lifetimes. To describe the energy dependence, a phenomenological model is introduced that parameterizes the spectral widths by the average path length of a surface-state electron. Additional measurements on corrals with identical size but different wall densities show that denser walls lead to longer lifetimes. These results demonstrate that the interaction of the confined electrons with the corral boundary is an important lifetime-limiting mechanism and that the lifetime can be tailored through the engineered boundary.

In the second part, the force interaction between the corral states and an atomic force microscope tip is investigated. Metal-terminated tips exhibit an attractive interaction with the confined surface states, whereas CO-terminated tips probe a repulsive interaction. Both forces decay exponentially with distance, but with different characteristic decay lengths. The attractive interaction has a decay length of (66 ± 5) pm, while the repulsive interaction yields (46 ± 6) pm. The attractive force is therefore longer ranged than the repulsive force. In addition, both decay lengths are larger than typical values reported for interactions between natural atoms. This difference is attributed to the electronic structure of the quantum corral: The occupied corral states originate from the Shockley surface state and span only a narrow energy range close to the Fermi level, whereas natural atoms also contain deeper, more localized orbitals.

The results show that quantum corrals provide controllable artificial quantum systems in which both the lifetime of confined electronic states and their interaction with external probes can be experimentally characterized and, to some extent, deliberately engineered.

Quantum Corrals sind künstlich erzeugte Nanostrukturen, in denen Elektronen auf einer Oberfläche lateral eingeschlossen werden. In dieser Arbeit werden Quantum Corrals aus Kohlenmonoxid-Molekülen auf Cu(111) untersucht. Im Mittelpunkt steht die Frage, wie die eingeschlossenen Elektronen mit ihrer Umgebung wechselwirken. Dabei werden zwei komplementäre Aspekte untersucht: die Wechselwirkung der Elektronen mit ihrer Umgebung entlang der Oberfläche und deren Einfluss auf die Lebensdauer der Corral-Zustände sowie die Kraftwechselwirkung mit einer AFM-Spitze senkrecht zur Oberfläche.

Im ersten Teil werden die spektralen Eigenschaften der Corral-Zustände mittels Rastertunnelspektroskopie untersucht. Aus räumlich und energetisch aufgelösten dI/dV-Messungen werden die Energieverteilungen einzelner Zustände mithilfe von Wellenfunktionen eines Hard-Wall-Modells extrahiert. Die beobachteten Energieverteilungen werden überwiegend durch Gauß-Funktionen beschrieben. Ihre Breiten hängen sowohl von der Energie der Zustände als auch von der Größe des Corrals ab: Größere Corrals zeigen schmalere Verteilungen und damit längere Zustandslebensdauern. Zur Beschreibung dieser Energieabhängigkeit wird ein phänomenologisches Modell eingeführt, das die spektrale Breite über die mittlere Weglänge eines Oberflächenzustandselektrons parametrisiert. Zusätzliche Messungen an Corrals gleicher Größe, aber unterschiedlicher Wanddichte zeigen, dass dichtere Wände zu längeren Lebensdauern führen. Damit wird gezeigt, dass die Wechselwirkung der Elektronen mit der Corralwand ein wesentlicher lebensdauerbegrenzender Mechanismus ist und dass sich die Lebensdauer durch die künstlich erzeugte Begrenzung gezielt beeinflussen lässt.

Im zweiten Teil wird die Kraftwechselwirkung zwischen den Corral-Zuständen und einer AFM-Spitze untersucht. Metallterminierte Spitzen zeigen eine attraktive, CO-terminierte Spitzen eine repulsive Wechselwirkung mit den eingeschlossenen Oberflächenzuständen. Beide Kräfte klingen exponentiell mit dem Abstand ab, jedoch mit unterschiedlichen charakteristischen Längen. Für die attraktive Wechselwirkung wird eine Zerfallslänge von (66 ± 5) pm und für die repulsive Wechselwirkung von (46 ± 6) pm bestimmt. Die attraktive Wechselwirkung ist somit längerreichweitig als die repulsive. Beide Zerfallslängen sind zudem größer als typische Werte für Wechselwirkungen zwischen natürlichen Atomen. Dies wird auf die besondere elektronische Struktur des Quantum Corrals zurückgeführt: Die besetzten Corral-Zustände stammen aus dem Shockley-Oberflächenzustand und liegen in einem engen Energiebereich nahe der Fermi-Energie, während natürliche Atome zusätzlich tief gebundene, stärker lokalisierte Orbitale besitzen.

Die Ergebnisse zeigen, dass Quantum Corrals als kontrollierbare künstliche Quantensysteme dienen können, in denen sowohl die Lebensdauer eingeschlossener Zustände als auch ihre Wechselwirkung mit externen Sonden experimentell charakterisiert und teilweise gezielt eingestellt werden können.