Mikroskop tastet Proben mit Gasatomen ab

Tübingen - Mit einer Wolke aus Gasatomen haben Tübinger Wissenschaftler Millionstel Meter kleine Strukturen sichtbar gemacht. Dazu entwickelten sie ein Mikroskop, das auf einem völlig neuen Wirkprinzip beruht. Sie ersetzten die atomfeine feste Mikroskopspitze, die oft aus Metall besteht, durch eine Gaswolke aus etwa 20.000 Rubidium-Atomen. In ersten Messungen konnten sie damit scharfe Bilder von Nanoröhrchen aus Kohlenstoff gewinnen. Durch weitere Verbesserungen wollen sie das Auflösungsvermögen weiter bis auf etwa zehn Millionstel Millimeter steigern. Das neue Analyse-Instrument, mit dem Nanoforscher ihre Proben in Zukunft noch besser untersuchen könnten, präsentieren die Forscher in der Zeitschrift "Nature Nanotechnology"(doi: 10.1038/nnano.2011.80).

"Ultrakalte atomare Gase können zur Analyse von elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen Atomen und Oberflächen genutzt werden", schreibt die Arbeitsgruppe um Andreas Günther vom Zentrum für Kollektive Quantenphänomene an der Universität Tübingen. Daher kombinierten die Physiker ein herkömmliches Rasterkraftmikroskop mit einer Gaswolke aus Rubidium-Atomen. Über Magnetfelder kühlten sie diese Gaswolke an der Mikroskopspitze auf fast minus 273 Grad Celsius ab. Dabei ordneten sich die Rubidium-Atome zu einem neuen Quantenzustand an, einem so genannten Bose-Einstein-Kondensat.

Atom-Schwingungen offenbaren Nanostrukturen

Mit dieser tiefgekühlten Gaswolke lassen sich nun filigrane Nanostrukturen exakt abtasten. Abhängig von dem Aufbau der Nanostruktur schwingen die Rubidium-Atome des Bose-Einstein-Kondensats hin und her. Diese Schwingungen liefern verlässliche Daten, aus denen sich genaue Bilder der Nanostruktur gewinnen lassen. Bei ersten Versuchen an Nanoröhrchen aus Kohlenstoff zeigte das neue Mikroskop eine Bildauflösung von wenigen Millionstel Metern. Damit kann es noch nicht mit herkömmlichen Rastersondenmikroskopen konkurrieren. Doch wollen die Forscher die tiefgekühlten Gaswolken auf nur noch einige Dutzend Rubidiumatome schrumpfen. Dann halten sie Bilder mit einer tausendfach besseren Auflösung von bis zu zehn Millionstel Millimeter für möglich.

Im Unterschied zu herkömmlichen Mikroskopspitzen ist die tiefgekühlte Gaswolke zudem viel weicher und könnte filigrane Proben deutlich sanfter analysieren. Neben detaillierten Bildern von Nanostrukturen könnte das neue Mikroskop zugleich auch Daten über die elektromagnetischen Eigenschaften der Proben liefern. Mit weiteren Verbesserungen hat die Tübinger Erfindung das Potenzial, zu einem wichtigen Instrument der Nanotechnologie zu avancieren.