Bose-Einstein-Kondensat lässt tief in die Nanowelt blicken

31. Mai 2011, 15:18
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Forscher nutzen ultrakalte Wolke aus Rubidiumatomen als Spitze für Rastersondenmikroskop

Mikroskope sollen kleine, dem unbewaffneten Auge verborgene Dinge erkennbar machen; in der Regel tuns sie dies mit Hilfe eines Linsensystems. Doch dort, wo optische Abbildungsmethoden an ihre Grenzen kommen, zeigen sogenannte Rastersondenmikroskope mit unterschiedlichen Techniken noch Strukturen von Millionstel Millimeter Größe. Deutschen Forschern ist es nun gelungen, mit Hilfe einer Wolke aus ultrakalten Rubidiumatome noch tiefer in die Nanowelt vorzudringen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

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. Die Wissenschafter der Universität Tübingen haben nun allerdings die Nadelspitze durch eine ultrakalte verdünnte Gaswolke ersetzt.

Bei diesem Vorgang 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 der Methode seien genauere Messungen der Wechselwirkungen zwischen Atomen und Oberflächen möglich.

Bose-Einstein-Kondensat sorgt für mehr Auflösung

Durch weiteres Abkühlen der ultrakalten Sondenspitze entstehe schließlich ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat, mit dem sich die Auflösung der Messung erheblich steigern lasse, berichten die Wissenschafter um den Inhaber des Lehrstuhls für Nano-Atomoptik, József Fortágh, und seine Mitarbeiter Andreas Günther und Michael Gierling.

Die Wissenschafter 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.

Tausend Mal schärfer

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.

"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.", meinen die Forscher. Darüber hinaus erhoffen sie sich neue Anwendungen von der jetzt erprobten Möglichkeit, ultrakalte Quantengase und Nanostrukturen miteinander in Verbindung zu bringen. (red)


Abstract
Nature Nanotechnology: Cold-atom scanning probe microscopy

  • Eine ultrakalte Atomwolke (hier in 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.
    foto: universität tübingen, ag nano-atomoptik

    Eine ultrakalte Atomwolke (hier in 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.

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