Mikroskopie mit einer Quantenspitze

Grafik: Versuch mit einem Kaltatom-Rastersondenmikroskop

Mit ihrer Hilfe lassen sich Phänomene der Nanowelt sichtbar machen und sogar gezielt beeinflussen. Das Herzstück eines Rastersondenmikroskops ist eine beweglich aufgehängte Spitze, die, vergleichbar mit der Nadel eines Plattenspielers, auf feine Unebenheiten der Probenoberfläche reagiert und diese in Signale umwandelt, die sich mit Computerhilfe als Bild darstellen lassen.

Forschern der Universität Tübingen ist es nun gelungen, dieses Herzstück eines Rastersondenmikroskops nicht aus einem festen Material wie beim Plattenspieler herzustellen, sondern aus einer ultrakalten verdünnten Gaswolke. Dabei kühlen sie ein besonders reines Gas aus Rubidiumatomen auf Temperaturen unterhalb von einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab und speichern die Atome in einer Magnetfalle.

Diese „Quantenspitze“ kann präzise positioniert werden und ermöglicht so die Abtastung nanostrukturierter Oberflächen. Mit dieser Methode seien genauere Messungen der Wechselwirkungen zwischen Atomen und Oberflächen möglich, und durch weiteres Abkühlen der ultrakalten Sondenspitze entstehe ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat, mit dem sich die Auflösung der Messung erheblich steigern lasse, berichten die Wissenschaftler um den Inhaber des Lehrstuhls für Nano-Atomoptik, Professor József Fortágh, und seine Mitarbeiter Doktor Andreas Günther und den Doktoranden Michael Gierling.

Die Wissenschaftler haben die Spitze ihres Kaltatom-Rastersondenmikroskops an einer Probe demonstriert, auf welcher sich senkrecht gewachsene Kohlenstoff-Nanoröhren befanden. Von einer Art magnetischem Förderband wurde die Spitze über die Probe geführt. Bei einer ersten Messung im sogenannten Kontaktmodus streiften die Erhebungen auf der Probe einzelne Atome aus der Wolkenspitze, die im Abstand weniger Mikrometer über sie hinweg fuhr. Dieser Verlust diente als Maß für Position und Höhe der Nanoröhrchen und zur Abbildung der Oberflächentopographie.

Auch im sogenannten dynamischen Messmodus funktionierte das Mikroskop. Die Forscher erzeugten erneut Bose-Einstein-Kondensate dicht über der Probe. Brachten sie diese Kondensate senkrecht zur Oberfläche in Schwingungen, so änderten sich die Frequenz und die Schwingungsweite abhängig von der Topographie der Probenoberfläche. Auch auf diesem Weg erhielten sie ein hoch aufgelöstes Bild der Oberfläche. Der Vorteil dieses Messverfahrens liege darin, dass keine Atome aus der Wolke verloren gehen, so die Forscher. Das könne von Vorteil in Fällen sein, in denen solche von der Probe adsorbierte Atome die Messung beeinflussen könnten.


COMPAMED.de; Quelle: Universität Tübingen