Ultrakalte Atomwolke tastet Nanostrukturen ab

Ein neuartiges Rastermikroskop hat ein Bose-Einstein-Kondensat als Spitze.

Die Rastermikroskopie hat die Oberflächenphysik revolutioniert. Das Rastertunnel- und das Rastkraftmikroskop ermöglichen es, eine Vielzahl unterschiedlicher Oberflächenstrukturen mit atomarer Auflösung sichtbar zu machen und auch zu manipulieren. Jetzt haben Forscher der Universität Tübingen ein Rastermikroskop mit einer extrem weichen Spitze aus einer ultrakalten Atomwolke hergestellt, das mit hoher Empfindlichkeit atomare Kräfte aufspürt.

Für ihr neuartiges Mikroskop nutzten József Fortágh und seine Kollegen ihr Know-how bei der Herstellung von magnetischen Mikrofallen für ultrakalte Atome. Sie haben einen Chip hergestellt, auf dessen Oberfläche zahlreiche feine, stromführende Metalldrähte verlaufen. Das über der Chipoberfläche entstehende Magnetfeld kann Atome, die ein magnetisches Moment besitzen, mit magnetischen Kräften festhalten. Durch Variation der Ströme in den Drähten können die Atome über der Chipoberfläche in allen drei Raumrichtungen mit großer Präzision bewegt werden.

Abb.: Das neue Rastermikroskop hat eine extrem weiche Abtastspitze, die aus einem Bose-Einstein-Kondensat besteht. (Bild: M. Gierling et al., Nature Nanotechnology)

In diese magnetische Mikrofalle haben die Forscher ein Bose-Einstein-Kondensat aus einigen zehntausend Rubidiumatomen geladen. Die Falle gab der Atomwolke die Form einer 19 µm langen und knapp 4 µm dicken Zigarre, deren Längsachse parallel zur Chipoberfläche ausgerichtet war. Mit Hilfe der Falle konnte die Atomwolke wie die Spitze eines Rastermikroskops über die Chipoberfläche bewegt werden. Allerdings war diese Atomwolkenspitze milliardenmal weicher als die Abtastspitzen herkömmlicher Rastermikroskope.

Mit ihrem neuartigen Rastermikroskop untersuchten die Forscher einen nanostrukturierten Chip, der von senkrecht stehenden Kohlenstoffnanoröhren bedeckt war und Zimmertemperatur hatte. Eine Aufnahme mit dem Elektronenmikroskop zeigte nebeneinander einen Röhrenwald, eine Röhrenpalisade sowie eine einzelne, freistehende Röhre. Diese Nanostrukturen tasteten die Forscher mit ihrer Atomwolke ab, die sie über der jeweiligen Struktur positionierten und dann langsam absenkten.

Die Wechselwirkung mit einer Nanostruktur beeinflusste den Zustand des Kondensats. Dies machten die Forscher dadurch sichtbar, dass sie die Falle abschalteten, woraufhin die Atome vom kopfüber hängenden Chip herabfielen. Dabei expandierte die Atomwolke, sodass die Dichteverteilung der Atome durch Lichtabsorption bestimmt werden konnte. Allerdings musste dann die Falle erneut gefüllt werden. Aus vielen solchen Schnappschüssen ergab sich dann ein Bild vom jeweiligen Zustand des Kondensats.

Zunächst betrieben Fortágh und seine Kollegen ihr Rastermikroskop im „Kontaktmodus“. Dazu senkten sie die Falle langsam auf eine Höhe von weniger als 350 µm über dem nanostrukturierten Chip ab. Dann überprüften sie, wie stark sich die Zahl der Atome im Kondensat aufgrund der Wechselwirkung mit den Nanoröhren verringert hatte. Dabei stellten sie fest, dass bei einer Höhe von 320 µm noch kein Einfluss auf das Kondensat zu sehen war, während bei 280 µm fast alle Atome aus der Falle entwichen. Auf diese Weise konnten sie den Rand des Nanoröhrenwaldes, die Röhrenpalisaden und sogar die einzelne Röhre sichtbar machen.

Anschließend nutzten die Forscher ihr Rastermikroskop im dynamischen Modus. Dazu analysierten sie, zu welchen Schwingungen das Kondensat in der Falle durch die Wechselwirkung mit der einzelnen, freistehenden Nanoröhre angeregt wurde. So konnten sie die extrem schwache Casimir-Kraft von 0,2 yN oder 2*10^-25 N messen, mit der ein einzelnes Atome im Kondensat vom Ende der Nanoröhre angezogen wurde.

Während das neue Rastermikroskop die Länge der Nanoröhren auf einen Nanometer genau bestimmen konnte, liegt die Auflösung in horizontaler Richtung wesentlich schlechter. Doch mit einer engeren Falle, die das Kondensat zusammendrückt, ließe sich die horizontale Auflösung erheblich verbessern. Der eigentliche Vorteil des neuen Mikroskops ist indes, dass seine Spitze ein kohärentes Quantensystem ist, dessen Zustand sich gut kontrollieren lässt. Damit hat man nicht nur einen neuartigen Quantensensor sondern erhält auch die Möglichkeit, ein hybrides Quantensystem aus einem Bose-Einstein-Kondensat und einer Kohlenstoffnanoröhre herzustellen.

Rainer Scharf

MH