Kaltatom-Rastersondenmikroskop arbeitet mit Bose-Einstein-Kondensaten als Sonde

  • Kaltatom-Rastersondenmikroskop: 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. Bild: Uni Tübingen/Nano-AtomoptikKaltatom-Rastersondenmikroskop: 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. Bild: Uni Tübingen/Nano-Atomoptik

Das Forscherteam von Prof. Dr. József Fortágh (Lehrstuhl für Nano-Atomoptik, Universität Tübingen) hat erstmals eine Sonde für ein Rastersondenmikroskop (RSM, Mikroskopie) hergestellt, die nicht aus einem festen Material ist, 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. Durch weiteres Abkühlen der ultrakalten Sondenspitze entsteht ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat, mit dem sich die Auflösung der Messung erheblich steigern lässt. 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.


Abbildung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit dem Kaltatom-Rastersondenmikroskop


Kontaktmodus
Die Wissenschaftler haben die Sonde 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.


Bose-Einstein-Kondensat
Wenn die Temperatur eines Atomgases immer näher an den absoluten Nullpunkt herankommt, tritt ein quantenmechanisches Phänomen ein, das aus der Wolke ein 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 Nanoröhrchen 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.


Dynamischer Modus
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.



Originalliteratur
M. Gierling, P. Schneeweiß, G. Visanescu, P. Federsel, M. Häffner, D. P. Kern, T. E. Judd, A. Günther und J. Fortágh: Cold-atom scanning probe microscopy. Nature Nanotechnology, Online-Vorabveröffentlichung vom 29. Mai 2011, DOI: 10.1038/NNANO.2011.80


http://www.uni-tuebingen.de


 

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