Kunststoß mit Elektronen

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.

Daniel Rugar und seine Mitarbeiter tauschten an ihrem Gerät die Nadel durch einen winzigen Dauermagneten aus. Eine Spule sendet ein hochfrequentes Wechselfeld aus und lässt den Nanohebel vibrieren, genau abgestimmt auf jene Frequenz, mit der die Spins der Elektronen in der untersuchten Probe bevorzugt hin- und herklappen. Diesen Resonanzeffekt kann der Laserstrahl wahrnehmen.

Im Unterschied zu anderen Rastersondenmethoden können die Forscher mit diesem Magnet-Resonanz-Kraftmikroskop viele Atomlagen tief in ihre Proben hineinschauen. So gewannen sie einen dreidimensionalen Einblick in eine Siliziumdioxidschicht mit einer Auflösung von bis zu 25 Nanometern. "Dieses neue Werkzeug sollte unweigerlich zu fundamentalen Fortschritten in der Nanotechnologie und der Biologie führen", sagt Rugar voraus. Zudem lockt damit ein Lesegerät für künftige Quantencomputer. Denn zur Speicherung und Berechnung digitaler Daten können nicht nur elektrische Ladungen, sondern auch elementare magnetische Spins dienen. Nach dem Erfolg beim Elektron will Rugar nun dem Proton mit seinem 600 Mal schwächeren magnetischen Moment zu Leibe rücken.

"Die neue Methode zur Spinbestimmung ist sicherlich wertvoll, doch die Ortsauflösung sollte noch verbessert werden", kommentiert Nanophysiker Wiesendanger. Auch seine Arbeitsgruppe beobachtete schon die magnetischen Strukturen hauchdünner Oberflächen. Die kleinsten von ihnen entdeckten Wälle auf einem ferromagnetischen Eisenfilm maßen nur 0,6 Nanometer. Möglich machte dies die so genannte Spin-polarisierte Rastertunnelmikroskopie, bei der eine winzige magnetische Probe die Sondenspitze bildet.

Die konkurrierende Magnetresonanz-Methode sieht er gelassen. "Es ist wichtig, möglichst viele komplementäre Methoden zur Synthese und Analyse von nanoskaligen Strukturen zu entwickeln. Aus der Kombination ergeben sich dann vielleicht völlig neue Möglichkeiten zur gezielten Kontrolle der Materie auf Nanometerskala."

Heute ist Atommanipulation mit Rastersonden noch mühselige Handarbeit, doch bald schon könnte sie automatisiert werden. "Die Zukunft liegt in der Kombination der Nanoanalytik mit Komponenten der Robotik", sagt Wiesendanger, der bereits mit Robotik-Experten vom Hamburger Informatikinstitut an ersten Gemeinschaftsprojekten feilt. "Beispielsweise könnte in zukünftigen Festplatten eine Art Rechen mit vielen RTM-Spitzen die Bits eines rotierenden Datenträgers schreiben und lesen." Eine Idee, in die auch die Ergebnisse der Zürcher Forscher um Jascha Repp einfließen könnten. (sma)