Vortex-Strahlen öffnen neue Türen in der Nanotechnologie

5. November 2012, 20:44
  • Mit der neuen Methode lassen sich mithilfe einer Blende noch intensivere Vortex-Strahlen erzeugen.
    foto: tu wien

    Mit der neuen Methode lassen sich mithilfe einer Blende noch intensivere Vortex-Strahlen erzeugen.

Mit rotierenden Elektronenstrahlen können Elektronenmikroskope besondere materialspezifische Eigenschaften enthüllen

Elektronenmikroskope sind heute nicht zuletzt in der Materialwissenschaft ein unverzichtbares Werkzeug. An der TU Wien wird an Elektronenstrahlen geforscht, die eine innere Rotation haben, vergleichbar etwa mit einem Wirbelsturm. Mit Hilfe dieser sogenannten "Vortex-Strahlen" können nicht nur Objekte abgebildet, sondern auch materialspezifische Eigenschaften untersucht werden - mit einer Präzision im Nanometerbereich. Ein neuer Forschungsdurchbruch ermöglicht nun viel intensivere Vortex-Strahlen als je zuvor. Damit eröffnen sich den Wissenschaftern auch neue Anwendungen in der in der Nanotechnologie.

Quantenphysikalische Nanotornados

In einem Tornado drehen sich die einzelnen Luftteilchen zwar nicht unbedingt um die eigene Achse, aber der Luftsog insgesamt hat eine mächtige Rotation. Ganz ähnlich verhalten sich die rotierenden Elektronenstrahlen, die an der TU Wien hergestellt werden. Um sie zu verstehen, darf man sich die Elektronen nicht bloß als winzige Punkte oder Kügelchen vorstellen, denn die könnten sich höchstens um ihre eigene Achse drehen. Die Vortex-Strahlen hingegen lassen sich nur quantenphysikalisch erklären: Die Elektronen verhalten sich wie eine Welle, und diese Quanten-Welle kann rotieren, wie ein Tornado oder wie die Wasserströmung hinter einer Schiffsschraube.

"Nachdem der Vortex-Strahl einen Drehimpuls trägt, kann er auch Drehimpuls auf das Objekt übertragen, auf das er trifft", erklärt Peter Schattschneider vom Institut für Festkörperphysik. Der Drehimpuls der Elektronen in einem Festkörper ist eng mit seinen magnetischen Eigenschaften verknüpft. Für die Materialwissenschaft ist es daher ein ungeheurer Vorteil, durch die neuartigen Elektronenstrahlen auch Aussagen über Drehimpuls-Zustände treffen zu können.

Peter Schattschneider und Michael Stöger-Pollach arbeiten gemeinsam mit einer Forschungsgruppe aus Antwerpen daran, möglichst intensive und sauber kontrollierbare Vortex-Strahlen in einem Transmissions-Elektronenmikroskop zu erzeugen. Bereits vor zwei Jahren gab es erste Erfolge: Damals wurde der Elektronenstrahl durch eine winzige gitterartige Maske hindurchgeschossen, wodurch er sich in drei Teilstrahlen aufspalten ließ: Einen rechtsdrehenden, einen linksdrehenden und einen Strahl ohne Rotation.

Einzelner Vortexstrahl per Blende

Nun wurde eine neue, noch viel mächtigere Methode entwickelt: Die Forscher verwenden eine Blende, die zur Hälfte von einer Siliziumnitrid-Schicht bedeckt wird. Diese Schicht ist so dünn, dass die Elektronen sie fast absorptionsfrei durchdringen können, aber geeignet phasenverschoben werden. "Nach Fokussierung durch eine speziell abgestimmte astigmatische Linse erhält man einen einzelnen Vortexstrahl", erklärt Michael Stöger-Pollach.

Dieser Strahl ist um eine Größenordnung intensiver als die Vortex-Strahlen, die man bisher erzeugen konnte. "Erstens spalten wir den Strahl nicht in drei Teile auf, wie bei der Gittermaske, sondern der gesamte Elektronenstrom wird in Rotation versetzt. Zweitens hatte die Gittermaske den Nachteil, die Hälfte der Elektronen zu blockieren - die neue Spezialblende tut das nicht", sagt Stöger-Pollach.

Durch die neue Technik lassen sich nun auch rechts- und linksdrehende Strahlen zuverlässig unterscheiden - das war bisher nur schwer möglich. Addiert man nun nämlich zu rechts- und linksdrehenden Strahlen jeweils einen bestimmten Drehimpuls hinzu, wird die Drehung des einen Strahls verstärkt, die des anderen Strahles nimmt ab.

Werkzeug für die Nanotechnologie

In Zukunft soll die Methode für die Materialforschung eingesetzt werden. Besonders bei neu entwickelten Designer-Materialien stehen magnetische Eigenschaften oft im Zentrum der Aufmerksamkeit. "Ein Transmissions-Elektronenmikroskop mit Vortex-Strahlen ließe uns diese Eigenschaften nanometergenau untersuchen", meint Peter Schattschneider. Auch exotischere Anwendungen von Vortex-Strahlen sind denkbar: Im Prinzip kann man mit solchen drehimpulstragenden Strahlen Objekte in Rotation versetzen - etwa einzelne Moleküle. Vortex-Strahlen könnten daher auch neue Türen in der Nanotechnologie öffnen. (red, derstandard.at, 05.11.2012)

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Und wo bleibt die Weisheit von fs3 dazu?

Habe nur ich dieses Gefühl...

...oder geht alles was mit Nanotechnologie zu tun hat ganz einfach über die Vorstellungskraft Normalsterblicher Menschen ohne naturwissenschaftliches Studium hinaus?

Der war gut:-D

seit sam und max "hit the road" ist zum vortex alles gesagt! Glaskugel und Korken fertig!

Hääh?

Ich nix kapiert.
Könnte jemand das mal erklären?
Hat das was mit Polarisation zu tun oder werden die Elektronen von Magneten auf einer Spiralbahn gehalten?
Was hält den Strahl zusammen?(Magnetfeld)
Dreht sich die Blende?

Dazu gibt es zwei Erklärungmodelle...

1. Der Forscher dreht des zu untersuchende Objekt konstant und beständig. An der TU gibt es einen Assi der schon 10 E12 Umdrehungen ps geschafft hat, angeblich.

2. Nach der Analyse werden die Ergebnissprotokolle in Roatation versetzt bis alle Buchstaben und Zahlen davon fliegen. Diese gemessene Rotationsgeschwindigkeit ist das der gesuchte Wert.

keins von beiden -
mit elektronenspin hat das gar nichts zu tun, es ist ein bahndrehimpuls der elektronen. die quanten-welle der elektronen trägt einen drehimpuls, ähnlich wie ein elektron, das um einen atomkern kreist (nur dass hier das elektron nicht um irgendetwas kreist, sondern quasi nur selbst einen "drall" hat).

magnetfeld ist da auch keins im spiel.

naja, magnetfelder sind immer im spiel - schließlich hat jedes elektron eines - nur der vortex braucht kein magnetfeld bzw. keine magnetfeldtrennung um stabil zu bleiben

Laienfrage:

Kann man sich das so ähnlich vorstellen wie eine Zirkularpolarisation beim Licht oder ist das ganz was anderes?

nein. teilchen können zwei sorten von drehimpuls haben: den eigendrehimpuls (spin) und den bahndrehimpuls. (das wird oft mit planeten verglichen, die sich einerseits um die eigene achse drehen, andererseits sich auch auf ihrer bahn um die sonne drehen - aber das ist eigentlich gar keine so gute analogie.)

zirkulare polarisation von licht bezieht sich auf den spin-anteil des drehimpulses. hier allerdings wird ein bahn-drehimpuls erzeugt. während ein elektron nur zwei verschiedene spin-werte annehmen kann, sind viel mehr (und auch viel höhere) bahndrehimpuls-werte möglich.

siehe tornado-vergleich im text: ein einzelnes teilchen kann sich um seine eigene achse drehen (~spin), aber hier dreht sich der ganze wirbelsturm insgesamt (~bahn).

Danke!

werden offenbar durch eine siliziumschicht phasenverschoben und erzeugen dann den vortex - so stehts zumindest oben.

ähnliche forschung hat schon der da http://en.wikipedia.org/wiki/Walt... er_Gerlach
betrieben, allerdings auf plasmabasis, was angeblich so manch wundersamen effekt erzeugte.....

aber das ist eine andere geschichte;-)

Tolle Sache!

und jetzt drauf warten, dass irgendwer die rechtsdrehenden Strahlen als schädlich darstellt und die linksdrehenden als gut:-D

bei den blauen elektronen stimmt das, aber vorsicht: bei den roten ist es genau andersherum!

also am pissoir ist für mich jeder drehende strahl schlecht, egal ob links oder rechts!

sozusagen ein Grander-Strahl?

ganz falsch, die rechtsdrehenden sind immer die guten und die linksdrehenden die schädlichen. das ist wie bei zuckern, nicht wie bei aminosäuren ;-)

Geh bitte - teilchen die sich nach rechts drehen können nicht gut sein. Die haben wahrscheinlich sogar einen komischen kleinen nano-schnurrbart :)

nur auf der nordhalbkugel;-)

Irgendwie klingt das sehr spannend, wenn man als Techniker immer

die gleichen Dinge durchrechnet (Wärmetauscher, Rohrleitungen) wird man ein wenig neidisch ;-)

Solange es nicht immer nur derselbe Wärmetauscher ist...

Auch auf die Gefahr hin unwissienschaftlich zu wirken, aber Rohre verlegen kann durchaus erfüllend sein.

tja, wenn man die falschen rohre verwendet:

http://www.scene.org/~esa/roz/8rohre.jpg

hier hättest du "the best of both worlds" - vortex rohre

naja, nach ein paar Quantenmechanik-Skripten sehnt man sich stark nach "einfachen" Rohrleitungen etc.
aber ja, faszinierend ist es :)

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