Tunnel in die Welt der Atome - wissenschaft.de
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Umwelt+Natur

Tunnel in die Welt der Atome

Wir können einzelne Atome sehen. Was vor 20 Jahren noch eine Utopie war, ist heute beinahe alltägliches Geschäft in Laboratorien auf der ganzen Welt.

Die bahnbrechende Erfindung einer Gruppe am IBM Forschungslaboratorium, mit den Wissenschaftlern Gerd Binnig und Heini Rohrer und den technischen Mitarbeitern Christoph Gerber und Eddi Weibel, hat uns den Blick in eine neue Dimension eröffnet. Die Bedeutung ihrer Entdeckung läßt sich daran ablesen, daß Binnig und Rohrer bereits 1986 den Physik-Nobelpreis erhielten.

Schon 1982 erklärte Binnig das Prinzip des Rastertunnelmikroskops in bild der wissenschaft: „Man muß sich die Oberfläche leitender Materialien von einer Elektronenwolke umgeben vorstellen. Deren Dichte nimmt jedoch sehr rapide nach außen hin ab. Bringt man eine feine Metallspitze so nahe an ein beliebiges leitendes Material, daß sich deren Elektronenwolken berühren, so treffen sich die sogenannten Tunnel der Elektronen in der Mitte. Legt man nun eine Spannung zwischen Spitze und Materialprobe an, fließt ein Strom – mit anderen Worten, es treten Elektronen über. Wegen des extrem starken Abklingens der Elektronenwolken hängt die Stromstärke sehr empfindlich vom Abstand Nadel-Probe ab und kann überhaupt erst gemessen werden bei Abständen kleiner als ein millionstel Milimeter.

Die Nadel fährt nun über eine vollkommen glatte Oberfläche, aus der nur ein einziges Atom herausragt. An dieser Stelle besitzt die gleichmäßige Elektronenwolke, die wie ein hauchdünner Morgennebel über der Fläche liegt, eine Beule. Verschiebt man die Spitze, die vorher auf den richtigen Abstand gebracht wurde, parallel über die Oberfläche auf die Beule zu, so beobachtet man, daß der vorher konstante Tunnelstrom plötzlich ansteigt. Dieser Anstieg steuert in einem Regelkreis das Anheben der Nadel, bis der Tunnelstrom wieder auf seinem alten Wert ist. Die Bewegung der Spitze wird auf ein Schreibgeräöt übertragen und so entsteht letzendlich eine Aufnahme der atomaren Landschaft.“

Entscheidend und deshalb namensgebend ist der Tunneleffekt. Dieser hängt mit der „gespaltenen Persönlichkeit“ der Elektronen zusammen. Der Ausdruck beschreibt die Aussage der Quantenmechanik, daß Elektronen sowohl Teilchen als auch Wellencharakter besitze n. Deshalb sind sie auch in der Lage scheinbar undurchdringliche Hindernisse, wie die Oberfläche von elekrischen Leitern, zu überwinden. Sie suchen sich gewissermaßen einen Tunnel. Ein solcher Tunnel bildet sich auch, wenn die Spitze des Rastertunnelmikroskops über die zu untersuchende Oberfläche fährt.

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Mit dem neuen Mikroskop hat sich der Wissenschaft ein neues Beobachtungsfeld erschlossen. Von der Materialforschung bis hin zu den Biowissenschaften reichen die Anwendungsmöglichkeiten.

Ganz im Gegensatz zu seinen mit Licht arbeitenden Pendants bietet das Rastertunnelmikroskop aber noch eine weitere Möglichkeit: Man kann mit ihm – beziehungsweise einer Weiterentwicklung, dem Kraftmikroskop – nicht nur einzelne Atome anschauen, sondern auch bewegen. Die Nadelspitze dient dabei gewissermaßen als atomare Pipette.

Damit lassen sich zum Beispiel Käfige für Elektronen bauen, wie unser Titelbild zeigt. Hier sind Elektronen in einem Ring aus einzelnen Atomen eingesperrt. Die Wellennatur der so gefangenen Elektronen zeigt sich im Inneren des Kreises. Deutlich erkennt man Wellenberge und -täler. Ein Wunschtraum für viele Wissenschaftler geht damit in Erfüllung. In der Euphorie kommt auch der Spieltrieb zum Ausbruch, wie die nebenstehende Abbildung eines mit Atomen gezeichneten Strichmännchens zeigt.

Sebastian Jutzi
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