Forscher verschieben Moleküle auf Oberflächen

Forscher der Universität Regensburg haben ein interessantes Phänomen aus der Welt der Quantenphysik entdeckt: Um ein Kohlenmonoxidmolekül auf einer Oberfläche seitlich zu verschieben, ist nur halb so viel Kraft erforderlich, wie theoretisch zu erwarten wäre.

Ein Team um Prof. Dr. Franz J. Gießibl vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik machte diese Beobachtung bei Versuchen mit einem Rasterkraftmikroskop, welches in einem Vakuum bei minus 266 Grad Celsius arbeitet – nahe am absoluten Temperaturnullpunkt. Die Ergebnisse der Wissenschaftler sind vor wenigen Tagen in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erschienen (DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.146101).

Beim Anblick der Pyramiden von Gizeh stellt sich eine gewichtige Frage: Wie brachten die Bauarbeiter des Altertums die gigantischen Kräfte auf, um die tonnenschweren Steinblöcke zu bewegen? Dem gegenüber sind die Kräfte, die in der Quantenwelt wirken, ungleich kleiner. Allerdings ist es genauso schwierig, hinter ihr Geheimnis zu kommen. Vor einem Vierteljahrhundert gelang Donald Eigler und Erhard Schweizer vom IBM Forschungslabor San Jose in Kalifornien zwar ein „Bauprojekt“ auf kleinstmöglicher Skala: Die beiden Wissenschaftler schrieben I-B-M mit Buchstaben aus einzelnen Atomen des Edelgases Xenon. Aber erst 2008 konnten sie gemeinsam mit Gießibl die winzigen Kräfte messen, die beim Verschieben der einzelnen Atome wirken. Ein Durchbruch, der auch zu neuen theoretischen Überlegungen zu den Kräfteverhältnissen in der Quantenwelt führte.

Dass weiterhin ein gravierender Unterschied zwischen Theorie und Praxis besteht, konnte Matthias Emmrich mit Kolleginnen und Kollegen jetzt zeigen. Das Team an der Universität Regensburg untersuchte die Kräfte, die wirken, wenn man einzelne Kohlenmonoxidmoleküle auf einer Kupferoberfläche verschiebt. Die Forscher stellten dabei fest, dass nur halb so viel Kraft nötig ist, wie die theoretischen Berechnungen vorab erwarten ließen. Zum Vergleich: Das wäre in etwa so, als würde ein Ziegelstein die Hälfte seines Gewichts verlieren, wenn sich ein Bauarbeiter nähert.

Ein Kohlenmonoxidmolekül auf einer Kupferoberfläche kann man sich vorstellen wie ein Ei in einem Eierkarton. Um es hier von einer Vertiefung in eine benachbarte zu verschieben, ist eine bestimmte Kraft erforderlich. In der Welt der Atome und Quanten scheinen die Vertiefungen des Eierkartons allerdings „flacher“ zu werden, sobald sich die Abtastspitze des Mikroskops nähert. Zudem spielt das Kraftprofil der Spitze eine wesentliche Rolle für ihre Eignung für atomare Bauprojekte. Das Team konnte nachweisen, dass die Moleküle nur mit relativ symmetrischen Spitzen in alle Richtungen verschoben werden kann. Bei anderen Mikroskop-Spitzen ergeben sich nur einzelne Vorzugsrichtungen.

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Die Spitze eines Rasterkraftmikroskops kann nicht nur zum Abbilden einer Oberfläche durch Abtasten genutzt werden, sie kann Atome und Moleküle auch mit atomarer Präzision auf der Oberfläche verschieben. Kohlenmonoxid-Moleküle sitzen zum Beispiel am liebsten direkt auf Metallatomen, die hier als Vertiefung in einem Eierkarton dargestellt sind. Um die Moleküle zu verschieben, müssen sie eine Energiebarriere überwinden, die vom Kraftmikroskop gemessen werden kann. Erstaunlicherweise reduziert die Präsenz der Spitze die Höhe der Energiebarriere zwischen den Eierfächern – erklärt als Quanteninterferenzeffekt, der nur in der Quantenwelt auftritt. Bild: Uni Regensburg; Vorschaubild: stephan hanke

Titel der Original-Veröffentlichung:
Matthias Emmrich, Maximilian Schneiderbauer, Ferdinand Huber, Alfred J. Weymouth, Norio Okabayashi, and Franz J. Giessibl: Force Field Analysis Suggests a Lowering of Diffusion Barriers in Atomic Manipulation Due to Presence of STM Tip, in Physical Review Letters 114, 146101 (2015).

Der Original-Artikel im Internet unter:
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.146101