Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mikroskopie mit einer Quantenspitze

30.05.2011
Eine Wolke aus ultrakalten Rubidiumatomen benutzen Tübinger Physiker als Sonde, um nanostrukturierte Oberflächen abzubilden.

Mikroskope machen Kleines sichtbar – das sagt ihr Name. Doch moderne Mikroskope tun das oft über den Umweg, dass sie Oberflächen nicht mit optischen Methoden darstellen, sondern mit einer feinen Spitze abtasten.


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. Universität Tübingen, AG Nano-Atomoptik

Dort, wo optische Abbildungsmethoden an ihre Grenzen kommen, zeigen solche Rastersondenmikroskope mit unterschiedlichen Techniken noch Strukturen von Millionstel Millimeter Größe. Mit ihrer Hilfe lassen sich Phänomene der Nanowelt sichtbar machen und sogar gezielt beeinflussen. 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.

Forschern der Universität Tübingen ist es nun gelungen, dieses Herzstück eines Rastersondenmikroskops nicht aus einem festen Material wie beim Plattenspieler herzustellen, 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. Mit dieser Methode seien genauere Messungen der Wechselwirkungen zwischen Atomen und Oberflächen möglich, und durch weiteres Abkühlen der ultrakalten Sondenspitze entstehe ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat, mit dem sich die Auflösung der Messung erheblich steigern lasse, berichten die Wissenschaftler um den Inhaber des Lehrstuhls für Nano-Atomoptik, Prof. Dr. József Fortágh, und seine Mitarbeiter Dr. Andreas Günther und den Doktoranden Michael Gierling. Gierling ist Erstautor der Studie, die am 29. Mai als Online-Vorabveröffentlichung der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ erschienen ist.

Die Wissenschaftler 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.

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 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.

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.

Als Fazit formulieren die Forscher: „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.“ Darüber hinaus erhoffen sie sich neue Anwendungen von der jetzt erprobten Möglichkeit, ultrakalte Quantengase und Nanostrukturen miteinander in Verbindung zu bringen.

Die Studie entstand im Rahmen des BMBF-Förderprogramms „NanoFutur“ und in Zusammenarbeit mehrerer Arbeitsgruppen des Center for Collective Quantum Phenomena (CQ) Tübingen, an dem verschiedene Arbeitsgruppen des Fachbereichs Physik der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät beteiligt sind.

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

Kontakt:
Dr. Andreas Günther & Prof. Dr. József Fortágh
Universität Tübingen,
Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Physikalisches Institut
Telefon: +49 7071 29-76281 und 29-76270
E-Mail: a.guenther@uni-tuebingen.de, fortagh@uni-tuebingen.de

Michael Seifert | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-tuebingen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Studien Analysen:

nachricht Welche Auswirkungen hat die Digitalisierung der Industrieproduktion auf Jobs und Umweltschutz?
16.05.2017 | Institute for Advanced Sustainability Studies e.V.

nachricht Klimawandel: ungeahnte Rolle der Bodenerosion
11.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Studien Analysen >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

Der steigende Bedarf an schneller, leistungsfähiger Datenübertragung erfordert die Entwicklung neuer Verfahren zur verlustarmen und störungsfreien Übermittlung von optischen Informationssignalen. Wissenschaftler der Universität Johannesburg, des Instituts für Angewandte Optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) präsentieren im Fachblatt „Journal of Optics“ eine neue Möglichkeit, glasfaserbasierte und kabellose optische Datenübertragung effizient miteinander zu verbinden.

Dank des Internets können wir in Sekundenbruchteilen mit Menschen rund um den Globus in Kontakt treten. Damit die Kommunikation reibungslos funktioniert,...

Im Focus: Strathclyde-led research develops world's highest gain high-power laser amplifier

The world's highest gain high power laser amplifier - by many orders of magnitude - has been developed in research led at the University of Strathclyde.

The researchers demonstrated the feasibility of using plasma to amplify short laser pulses of picojoule-level energy up to 100 millijoules, which is a 'gain'...

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Lebensdauer alternder Brücken - prüfen und vorausschauen

29.05.2017 | Veranstaltungen

49. eucen-Konferenz zum Thema Lebenslanges Lernen an Universitäten

29.05.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz an der Schnittstelle von Literatur, Kultur und Wirtschaft

29.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

29.05.2017 | Physik Astronomie

Deutschlandweit erstmalig: Selbstauflösender Bronchial-Stent für Säugling

29.05.2017 | Medizintechnik

Professionelle Mooszucht für den Klimaschutz – Projektstart in Greifswald

29.05.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz