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StartseiteForschung aktuellBillard mit Atomen27.02.2008

Billard mit Atomen

Forscher messen den Aufwand, den man zum Atom-Schubsen benötigt

Physik. - Digitale Informationen in wenigen Atomen zu speichern, ist ein bedeutendes Forschungsziel der Nanotechnologie. Auf dem Weg dorthin leisten Physiker von IBM Grundlagenforschung. Ihre Fragestellung: Wie viel Kraft muss man aufbringen, um Atome von A nach B zu bewegen?

Von Frank Grotelüschen

Billard im Großen. (Stock.XCHNG / Lotus Head)
Billard im Großen. (Stock.XCHNG / Lotus Head)

Markus Ternes spielt Billard mit Atomen. Das Queue allerdings, das der junge Deutsche im IBM-Forschungszentrum in Kalifornien dafür nimmt, ist winzig - eine extrem dünne Nadel mit einer nanometerfeinen Spitze.

"Was wir dafür benutzen, ist ein Instrument, das sich Rastertunnelmikroskop nennt. Das wichtigste Teil bei diesem Mikroskop ist eine feine Nadel. Wir können sehr dicht an das Atom rangehen und dann die Nadel bewegen und damit das Atom bewegen."

Nun ist diese Technik nicht neu. Schon 1988 gelang es Don Eigler, dem Chef von Markus Ternes, mit dem Rastertunnelmikroskop Atome auf einer Oberfläche herumzuschubsen und zu den Buchstaben "IBM" zu formen. Aber:

"Die grundsätzliche Frage, wie viel Kraft man braucht, um das zu machen, konnte nicht beantwortet werden. Erst als wir dieses Instrument, das Rastertunnelmikroskop, mit einem anderen Instrument verheiratet haben, mit einem Rasterkraftmikroskop, was Kräfte messen kann, konnten wir diese Frage jetzt angehen."

Vereinfacht gesagt befestigten Ternes und seine Kollegen am Ende der Mikroskopspitze einen winzigen und extrem empfindlichen Kraftmesser. Nun darf man sich das Herumschubsen von Atomen nicht so vorstellen, als würde man eine mikroskopisch kleine Billardkugel über einen glatten Tisch rollen. Stattdessen muss man sich vor Augen halten, dass die Oberfläche, über die das Atom bewegt wird, ja ebenfalls aus Atomen besteht. Die Bewegung sieht also vielmehr so aus, als würde man einen Golfball in einer Eierpappe von einer Mulde zur nächsten stupsen.

"Wir kriegen genau heraus, an welchem Punkt das passiert. Und da wir diesen Kraftsensor da dran haben, können wir messen, wie viel Kraft wir dafür brauchen. Die Kräfte sind sehr, sehr klein. Wir haben für ein Kobaltatom auf einer Kupferoberfläche etwas gemessen wie 17 Piko-Newton. Das ist das Millionstel eines Millionstel eines Newtons. Und Newton ist die Kraft, die man braucht, um eine Tafel Schokolade im Erdgravitationsfeld festzuhalten."

Bestimmte Atomsorten sind dabei relativ leicht zu bewegen, andere lassen sich nur widerwillig verrücken. Und genau das ist interessant für künftige Anwendungen:

"Wenn man irgendwas konstruieren will auf dieser Längenskala, dann ist es natürlich wichtig zu wissen, welche Atome kann man eigentlich benutzen? Welche Atome bleiben in ihrer Position, und welche sind flexibel und können von A nach B bewegt werden?"

Für künftige Nanomaschinchen benötigt man einerseits Atomsorten, die stabil auf der Stelle bleiben wie ein Gerüst, und andererseits Atome, die beweglich sind. Mit der neuen Methode von Markus Ternes lässt sich nun herausfinden, welche Atome und auch welche Unterlagen für welches Nano-Bauteil besonders geeignet sind. Ternes jedenfalls weiß schon, was er damit anfangen will.

"Wir wollen versuchen, Computerrechnungen und Speicherapplikationen auf Nano-Länge zu demonstrieren. Und dafür brauchen wir dieses Instrument. Bei IBM sind wir daran interessiert, die Frage zu stellen: Wie klein kann man eine Speicherstelle machen? Wie viele Atome braucht man eigentlich, um eine Information zu speichern?"

Denn digitale Informationen in wenigen Atomen speichern zu können - darin sieht man nicht nur bei IBM einen Milliardenmarkt von Morgen.

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