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Kunststoß mit Elektronen
24.08.04 – Jan Oliver Löfken
Foto: Kurt Göthans
Elektronenbillard am Zürcher IBM-Forschungszentrum: Bis auf einen halben Nanometer tastet sich die Wolframspitze des Rastertunnelmikroskops an ein Goldatom heran. Physiker Jascha Repp regelt die Spannung in der Spitze auf 0,6 Volt. Prompt springt ein Elektron auf das anvisierte Goldatom über. Später kann Repp mit umgepoltem Nanoqueue das Elektron wieder von dem Goldion holen.
Dabei folgt Repp nicht nur seinem Spieltrieb, sondern seriösen Forschungsinteressen: "Mit dieser Technik ließe sich ein Speicher entwickeln, in dem jedes einzelne Atom genau ein Bit repräsentiert", erklärt er. Im Vergleich zu heutigen Datenträgern würde dies die Speicherdichte mindestens verzehntausendfachen.
Zukunftsträume, aber Forscher wie Repp bereiten mit ihren Rastersonden die Verwirklichung vor. "Rastersonden sind die Werkzeuge der Wahl in der Nanowelt", sagt Roland Wiesendanger, Leiter des Kompetenzzentrums Nanoanalytik an der Universität Hamburg. "Mittlerweile lässt sich von der Ortsbestimmung über die Ladungskontrolle bis hin zur Messung des Spinzustands einzelner Atome fast alles machen." Von einer bloßen Sehhilfe entwickelten sich Atomkraft- und Rastertunnelmikroskope zu mechanischen Greifern und Transportern, und nun auch zu magnetischen und elektrischen Atomschaltern.
Die entscheidende Zutat zum jüngsten Coup der Schweizer war eine Prise Kochsalz, verteilt zu einer hauchdünnen Schicht. "Eine isolierende Unterlage ist wichtig, um Atome und Ionen elektrisch voneinander zu entkoppeln", erklärt Repp. Bisher verlangte ein Rastertunnelmikroskop (RTM) nach einer leitenden Unterlage, damit der Messstrom überhaupt zur Sondenspitze "tunneln" konnte. Bei solchem kompletten Kurzschluss waren nanoelektronische Schaltkreise undenkbar. Jetzt stabilisiert das Kochsalz die Ladungszustände der eingebetteten Atome und macht sie nutzbar.
Ideen für die Anwendung hat Repp reichlich: "In erster Linie denken wir an elektronische Anwendungen auf atomarer Skala. Doch auch für chemische Katalysatoren wäre eine gezielte Aufladung metallischer Oberflächenatome interessant." Versuche anderer Gruppen haben gezeigt, dass manche Metallpartikel erst nach Aufladung katalytisch wirken. "Jetzt wäre es denkbar, Katalyse-Reaktionen quasi auf Knopfdruck zu steuern." Repp und seine Kollegen suchen bereits nach weiteren Metallen, die zur gezielten Aufladung von einzelnen Atomen geeignet sind. "Ein Ziel ist, flächige Nanostrukturen aus solchen Materialien beliebig zusammensetzen zu können."
Nicht die Ladung, sondern die magnetischen Momente einzelner Elektronen, die so genannten Spins, nutzen Repps amerikanische Kollegen im IBM-Labor Almaden. Sie kombinieren die Magnetresonanz-Technik (die von medizinischen Kernspintomographen) mit dem zweiten wichtigen Tastfinger der Nanowelt, dem Atomkraftmikroskop (AKM). Damit können sie bis zu zehn Millionen Mal genauer in eine Probe schauen als die Diagnoseröhren in den Krankenhäusern. Bei einem AKM gleiten winzige Nadeln über Berge und Täler, welche die Atome einer scheinbar glatten Oberfläche bilden. Entsprechend hebt und senkt sich ein Siliziumhebel von einem Hundertmillionstel Millimeter Dicke, an welchem die Nadel befestigt ist. Ein reflektierter Laserstrahl misst dieses Auf und Ab und offenbart so die atomare Oberflächenstruktur.
Dieser Text ist der Zeitschriften-Ausgabe 09/2004 von Technology Review entnommen. Der Artikel steht auch als kostenpflichtiges pdf im Heise Kiosk zum Download bereit.
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