Kleiner Kraftmesser

News: Kleiner Kraftmesser

Mikroskope gestatten es längst, Strukturen zu untersuchen, die viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. Unter anderem sind auch die so genannten Rastersondenmikroskope an dieser Erfolgsgeschichte beteiligt. Mit einer neuen Version eines speziellen Rastersondenmikroskops gelingt es nun, sogar winzige Kräfte im Bereich von Zeptonewton zu messen - einer Einheit, die bislang wohl eher unbekannt ist.

Thorsten Krome

Seit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer schickt sich die Familie der Rastersondenmikroskope an, die Labors in aller Welt zu erobern. Die Leistung und Bandbreite der Geräte ist auch enorm. War das Tunnelmikroskop noch in erster Linie den Metallen vorbehalten, so konnte das Rasterkraftmikroskope (AFM) schon beliebige Oberflächen untersuchen. Magnetkraftmikroskope (MFM) eröffneten zudem die Möglichkeit die magnetischen Eigenschaften einer Probe zu erforschen und einzelne Domänen – kleinste Bereiche mit gleichmäßiger magnetischer Ausrichtung – sichtbar zu machen. Heute existiere so viele verschiedene Geräte, dass Wissenschaftler schon scherzhaft von Raster-"Dingsda"-Mikroskopen (XFM) sprechen.

Ihr Prinzip ist häufig sehr ähnlich: Ein Spitze, die zeilenweise über eine Oberfläche gezogen wird, tritt mit dieser in Wechselwirkung. Dabei wirken je nach Sonde verschiedene Kräfte. Beim AFM sind es in erster Linie die schwachen Van-der-Waals-Kräfte in der Nähe einer Oberfläche, beim MFM sind es hingegen magnetische Wechselwirkungen. Die Kraft überträgt sich auf einen Biegebalken, den so genannten Kantilever, wobei sich dessen Resonanzfrequenz ändert, was sich messen und zusammen mit der Ortsinformation darstellen lässt.

Das Magnetresonanzkraftmikroskop (Magnetic Resonance Force Microscopy, MRFM) kombiniert zwei bestehende Untersuchungsmethoden: die Magnetresonanz-Spektroskopie und eben das Rastersondenmikroskop. Hier sitzt eine kleine magnetische Spitze am Ende eines Kantilevers, die mit dem Spin des Atoms wechselwirkt. Zusätzlich stimmt eine Spule mit einem magnetischen Wechselfeld den Spin der Atome in gewünschter Weise ab. Mithilfe eines Laserstrahls, der vom Rücken des Kantilevers reflektiert wird, lässt sich nun seine Bewegung und damit die Kraft, die auf ihn wirkt, messen.

Bislang war es mit diesem Gerät recht schwierig, präzise Messungen durchzuführen, da sich der Biegebalken schon allein thermisch angeregt bewegt. John Mamin und seine Kollegen am IBM Almaden Research Center in San Jose haben nun diese Störungen nahezu beseitigt, indem sie den Kantilever auf einen Bruchteil eines Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt abkühlten. So gelang es ihnen, noch eine Kraft von gerade mal 820 Zeptonewton zu messen. Ein Zeptonewton sind dabei 10^-21 Newton – weniger als die Kraft, die der Spin eines einzelnen Elektrons bewirkt.

Allerdings schränkt Mamin ein, dass sich das Elektron für eine derartige Messung gut zu benehmen hat: Es muss still halten, während es die Messung über sich ergehen lässt. Sollte es gelingen, den Kantilever noch kleiner zu bauen und ihn damit noch empfindlicher zu machen, so könnten sogar dreidimensionale Aufnahmen mit atomarer Auflösung möglich werden.