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Mikroskopie mit einer Quantenspitze

Eine Wolke aus ultrakalten Rubidiumatomen benutzen Tübinger Physiker als Sonde, um nanostrukturierte Oberflächen abzubilden

03.06.2011

Universität Tübingen, AG Nano-Atomoptik

Eine ultrakalte Atomwolke (gelb) wird in einer Magnetfalle festgehalten und über eine dreidimensional strukturierte Oberfläche geführt. Im Kontaktmodus lässt sich ein Verlust von Atomen aus der Wolke messen, der abhängig von der Topographie der Oberfläche ist. Im dynamischen Modus verändern sich Frequenz und Amplitude einer Schwingung des Massenzentrums der Wolke abhängig von der Oberflächenstruktur. Auf beiden Wegen lässt sich die Topographie der Oberfläche abbilden.

Mikroskope machen Kleines sichtbar – das sagt ihr Name. Doch moderne Mikroskope tun das oft über den Umweg, dass sie Oberflächen nicht mit optischen Methoden darstellen, sondern mit einer feinen Spitze abtasten. Dort, wo optische Abbildungsmethoden an ihre Grenzen kommen, zeigen solche Rastersondenmikroskope mit unterschiedlichen Techniken noch Strukturen von Millionstel Millimeter Größe. 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 Proben-oberfläche 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 spei-chern 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, Prof. Dr. József Fortágh, und seine Mitarbeiter Dr. 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.

Wenn die Temperatur eines Atomgases immer näher an den absoluten Nullpunkt herankommt, tritt ein quantenmechanisches Phänomen ein, das aus der Wolke ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat macht. In diesem Aggregatzustand sind die einzelnen Atome nicht mehr voneinander zu unterscheiden. Sie bilden sozusagen alle gemeinsam ein einziges großes Atom. Mit solchen Bose-Einstein-Kondensaten gelang es den Tübinger Wissenschaftlern, auch einzelne freistehende Nano-röhrchen abzubilden. Durch künftige Weiterentwicklungen des Kaltatom-Rastersondenmikroskops könne, so die Forscher, die Auflösung von bisher etwa acht Mikrometern um theoretisch den Faktor tausend verbessert werden.

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, schreiben die Forscher. Das könne von Vorteil in Fällen sein, in denen solche von der Probe adsorbierte Atome die Messung beeinflussen könnten.
Als Fazit formulieren die Forscher: „Die extreme Reinheit der Sondenspitze und die Möglichkeit, die atomaren Zustände in einem Bose-Einstein-Kondensat quantenmechanisch zu kontrollieren, eröffnen für die Zukunft neue Möglichkeiten der Rastersondenmikroskopie mit nicht-klassischen Sondenspitzen.“ Darüber hinaus erhoffen sie sich neue Anwendungen von der jetzt erprobten Möglich-keit, ultrakalte Quantengase und Nanostrukturen miteinander in Verbindung zu bringen.

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