Den Elektronenwolken auf der Spur

News: Den Elektronenwolken auf der Spur

Je kleiner die Strukturen sind, in die Wissenschaftler vordringen, desto aufwendiger wird die Technik - von der Lupe über das Licht- zum Elektronenmikroskop bis hin zum Rasterkraftmikroskop, das Oberflächen mit einer sehr feinen Spitze abtastet, die an einer Feder angebracht ist. Indem sie als Feder eine Stimmgabel aus einkristallinem Quarz einsetzten, konnten Forscher nun sogar in das Innere eines Siliziumatoms hineinsehen. Sie machten Aufnahmen, auf denen die Elektronenwolken des Atoms direkt zu erkennen sind.

Schon lange suchten Wissenschaftler nach Methoden, um Oberflächen im Atommaßstab zu untersuchen. Mit einem Rasterkraftmikroskop können sie eine Probe mit einer feinen Sondenspitze abtasten, ähnlich wie eine Nadel eine Schallplatte. Die Spitze befindet sich am Ende eines winzigen Federbalkens, der sich durch ihre Bewegungen leicht biegt. Die Kräfte werden mittels eines Laserstrahls registriert und von einer Photodiode detektiert, woraus sich ein Mikroskopiebild erzeugen lässt. Aber kann diese Technik noch so weit verfeinert werden, dass die Forscher auch in das Innere eines Atoms hinein sehen können oder sind die Grenzen dieser Methode bereits erreicht?

Eine Antwort auf diese Frage haben nun Franz J. Gießibl vom Institut für Physik der Universität Augsburg und seine Mitarbeiter gefunden. Denn es gelang ihnen tatsächlich mit einem speziellen Rasterkraftmikroskop subatomare Strukturen sichtbar zu machen. In ihrem speziell entwickelten Mikroskop verwendeten die Forscher in einem neuartigen Verfahren eine, aus einkristallinem Quarz gefertigte Stimmgabel als Federbalken. Mit dieser sehr feinen Apparatur konnten sie anschließend die Oberfläche eines Silizium-Chips abbilden. Und die Auflösung ihrer Bilder ist bisher einzigartig: Sie zeigt ein einzelnes Atom, das im Innern eine – an einen Pilz mit Stiel und Hut erinnernde – Doppelstruktur aufweisst (Science vom 21. Juli 2000). Diese Struktur resultiert aus der räumlichen Verteilung der anziehenden Kraft zwischen Spitze und Probe: Zwei vom Spitzenatom ausgehende Elektronenwolken – die so genannten Atomorbitale – werden separat abgebildet.

Die Forscher erwarten, dass es in Zukunft gelingen wird, mit diesem Verfahren die Elektronenwolken von einer Vielzahl von Atomen in verschiedenartigen Kristallen abzubilden um damit ein verbessertes Verständnis des Verhaltens von Elektronen in Festkörpern zu erzielen.

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