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Wenn sich Atome zu nahe kommen

17.12.2018

„Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält“ - dieses Faust’sche Streben ist durch die Rasterkraftmikroskopie möglich geworden. Bei dieser Mikroskopiemethode wird eine Oberfläche durch mechanisches Abtasten abgebildet. Der Abtastsensor besteht aus einem Federbalken mit einer atomar scharfen Spitze. Der Federbalken wird in eine Schwingung mit konstanter Amplitude versetzt und Frequenzänderungen der Schwingung erlauben es, kleinste Kräfte im Piko-Newtonbereich zu messen. Ein Newton beträgt zum Beispiel die Gewichtskraft einer Tafel Schokolade, und ein Piko-Newton ist ein Millionstel eines Millionstels eines Newtons.

Da die Kräfte nicht direkt gemessen werden können, sondern durch die sogenannte Kraftspektroskopie über den Umweg einer Frequenzverschiebung bestimmt werden, ist ein Algorithmus zur Umrechnung nötig.


Atomar aufgelöstes Bild des Übergangs einer Atomlage des Edelgases Xenon (links) benachbart von einer Atomlage Argon (rechts).

Foto: Ferdinand Huber – Zur ausschließlichen Verwendung im Rahmen der Berichterstattung zu dieser Pressemitteilung.

Dazu wurden bisher zwei verschiedene Algorithmen eingesetzt, das 2001 von Giessibl vorgeschlagene Matrixverfahren und die 2004 von John Sader und Suzie Jarvis eingeführte Sader-Jarvis Methode.

Ferdinand Huber, Doktorand am Lehrstuhl Giessibl an der Fakultät für Physik der Universität Regensburg, hat nun die Kräfte zwischen Atomen nicht nur in einem Abstand gemessen, wo sich die Atome noch anziehen sondern auch bei kleinsten Abständen, wo erhebliche Abstoßungskräfte wirken.

Dabei machte er eine überraschende Entdeckung: die beiden Verfahren (Matrix- und Sader-Jarvismethode) ergaben gravierende Unterschiede in den ermittelten Kräften.

In der im Dezemberheft der Zeitschrift Nature Nanotechnology erschienenen Publikation „Interatomic force laws that evade dynamic measurement“ von John E. Sader, Barry D. Hughes, Ferdinand Huber und Franz J. Giessibl, Nature Nanotechnology 13, 1088 (2018), https://www.nature.com/articles/s41565-018-0277-x, beschreiben die Autoren den Grund für diese Diskrepanz und weisen zugleich einen Ausweg aus dieser Misere.

Die Rückrechnung der Kräfte aus der Frequenzverschiebung ist ein aus der Mathematik wohl bekanntes inverses Problem. Inverse Probleme können aber, abhängig von den Randbedingungen, „schlecht gestellt“ und damit unlösbar sein. In der obigen Publikation wurde aufgezeigt, dass das Problem der Inversion in einem bestimmten Bereich der Schwingungsamplitude schlecht gestellt ist.

Die Lösung besteht nun darin, die Schwingungsamplitude entweder kleiner als einen bestimmten Wert (z. B. einem halben Atomdurchmesser) oder größer als einen bestimmten Wert (z. B. von zwei Atomdurchmessern, abhängig jeweils vom exakten Kraftverlauf) zu wählen. Die neuen Ergebnisse erlauben also, mit höchster Präzision die chemischen Bindungskräfte zu messen, die die Welt zusammen halten.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Franz Gießibl
Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik
Universität Regensburg
Tel.: 0941-943-2105
E-Mail: franz.giessibl@ur.de

Originalpublikation:

John E. Sader, Barry D. Hughes, Ferdinand Huber und Franz J. Giessibl, Interatomic force laws that evade dynamic measurement, Nature Nanotechnology 13, 1088 (2018)
DOI: 10.1038/s41565-018-0277-x
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0277-x

Christina Glaser | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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