Mikroskoptechnik: Magnetresonanz auf die Spitze getrieben
Rund eine Billion Kernspins sind nötig, um bei der Magnetresonanztomografie einen Bildpunkt zu erzeugen. Für die Elektronenspinresonanz braucht es immerhin noch einige hundert Millionen Elektronenspins. Nun bauten Forscher ein Mikroskop, dass mit einem einzelnen Elektronenspin auskommt.
Kernspin- oder Magnetresonanztomografen (MRI) erlauben uns einen einzigartigen Blick in den Körper. Anders als bei Röntgenverfahren werden hier nicht nur Knochen sichtbar, sondern auch weiches wasserhaltiges Gewebe. Bis auf den Mikrometer genau lassen sich so Strukturen ausmachen. Was den Medizinern ihre MRI ist, das sind denn Physikern ihre Raster-Dingsbums-Mikroskope, wobei "Dingsbums" durch eine nahezu beliebige physikalische Wechselwirkung zu ersetzen ist, denn zeilenweise über die Probe gerastert wird in allen Fällen, auch wenn es nicht mehr ausdrücklich im Namen steht. Da gibt es schlicht Rasterkraftmikroskope (AFM), welche die Van-der-Waals-Kräfte zwischen Messspitze und Probe messen, Rastertunnelmikroskope (STM), welche den Stromfluss dazwischen bestimmen, oder Magnetkraftmikroskope (MFM), welche die magnetischen Kräfte oberhalb einer Probe bestimmen. Zwar lässt sich mit all diesen Geräten nur bedingt in das zu untersuchende Material hineinschauen, aber dafür mit unvergleichlicher Auflösung oben drauf – selbst atomare Auflösung ist möglich.
Nun haben Daniel Rugar vom Almaden Forschungszentrum im kalifornischen San Jose und seine Kollegen die Vorteile von MRI und MFM vereinigt und damit ein Gerät geschaffen, dass in bislang nicht da gewesener Auflösung einen Blick in Material gestattet und dabei selbst das magnetische Moment eines einzelnen Elektronenspins abbildet. Aber was ist der Spin? Zunächst mal eine reichlich unanschauliche Eigenschaft, die sich aus den Gleichungen der Quantenmechanik ergibt. Am ehesten lässt er sich noch mit einer Art Eigendrehung des jeweiligen Teilchens erklären – daher auch der Name –, die Realität wird dadurch allerdings nur bedingt abgebildet. Wichtig zu wissen ist indes, dass der Spin gekoppelt ist mit einem winzigen magnetischen Moment – ein klitzekleiner Elementarmagnet sozusagen.
Beim MRI nutzt man nun solche Spins – allerdings von Atomkernen, nicht von Elektronen –, um ein Bild zu gewinnen. Aber sehr viele Spins sind nötig, um ein Bild zu erzeugen: eine Billion, um genau zu sein. Das liegt unter anderem daran, weil das magnetische Moment von Nukleonen, also Kernbausteinen, im Vergleich zu Elektronen einige hundertmal kleiner ist. Elektronenspins lassen sich schon leichter nachweisen. Wie gut das geht, das zeigt nun auch das neue Magnet-Resonanz-Kraft-Mikroskop (MRFM) der Forscher aus Kalifornien, bei dem ein einzelnes Elektron mit seinem Spin ausreicht. Wie geht das?
Im Grunde ähnelt der Aufbau des Apparats sehr einem herkömmlichen MFM: Am Ende eines winzigen Federbalkens sitzt eine noch kleinere Magnetspitze und schwingt über der Probe. Die Schwingungen des Federarms werden dabei von einer Laseroptik erfasst. Soweit wie gehabt. Das Neue am MRFM ist nun, dass zusätzlich noch Mikrowellen auf die Probe eingestrahlt werden. Am Ort eines Elektronenspins überlagern sich so das magnetische Feld des Federbalkens sowie die magnetische Komponente der Mikrowellenstrahlung. Findet die Feldänderung lokal mit der richtigen Frequenz – der Resonanzfrequenz eines Spins – statt, dann klappt der jeweilige betroffene Spin um. Das jedoch bewirkt eine kleine Änderung des Schwingungsverhaltens des Biegebalkens, was letztlich den Spin verrät.
Da die winzige Magnetspitze am Federbalken kein homogenes Magnetfeld erzeugt, lässt sich mit ihr ein bestimmter Spin aus einer Probe herauspicken und analysieren. Rugar und Co führten das an einer eigens präparierten Siliziumdioxid-Probe vor, bei der einige ungepaarte Elektronenspins im Material saßen. Anders als bei herkömmlichen Rastermikroskopen konnten sie mit ihrem MRFM auch bis zu 100 Nanometer unter die Oberflächen schauen. Die Auflösung bei diesen Untersuchungen war mit 25 Nanometern immerhin schon vierzigmal besser als bei der MRI.
Aber nicht nur zum Aufspüren von Elektronenspins in Materialien soll das Gerät zu gebrauchen sein. Auch zum Speichern von Daten taugt die Technik prinzipiell. Da einzelne Spins die ideale Zutat für einen Quantencomputer darstellen, bietet sich das MRFM auch für diese Zukunftstechnik an. Nicht zuletzt werden sich auch Biologen über die neue Möglichkeit freuen, Biomoleküle in fast atomarer Auflösung untersuchen zu können.
Nun haben Daniel Rugar vom Almaden Forschungszentrum im kalifornischen San Jose und seine Kollegen die Vorteile von MRI und MFM vereinigt und damit ein Gerät geschaffen, dass in bislang nicht da gewesener Auflösung einen Blick in Material gestattet und dabei selbst das magnetische Moment eines einzelnen Elektronenspins abbildet. Aber was ist der Spin? Zunächst mal eine reichlich unanschauliche Eigenschaft, die sich aus den Gleichungen der Quantenmechanik ergibt. Am ehesten lässt er sich noch mit einer Art Eigendrehung des jeweiligen Teilchens erklären – daher auch der Name –, die Realität wird dadurch allerdings nur bedingt abgebildet. Wichtig zu wissen ist indes, dass der Spin gekoppelt ist mit einem winzigen magnetischen Moment – ein klitzekleiner Elementarmagnet sozusagen.
Beim MRI nutzt man nun solche Spins – allerdings von Atomkernen, nicht von Elektronen –, um ein Bild zu gewinnen. Aber sehr viele Spins sind nötig, um ein Bild zu erzeugen: eine Billion, um genau zu sein. Das liegt unter anderem daran, weil das magnetische Moment von Nukleonen, also Kernbausteinen, im Vergleich zu Elektronen einige hundertmal kleiner ist. Elektronenspins lassen sich schon leichter nachweisen. Wie gut das geht, das zeigt nun auch das neue Magnet-Resonanz-Kraft-Mikroskop (MRFM) der Forscher aus Kalifornien, bei dem ein einzelnes Elektron mit seinem Spin ausreicht. Wie geht das?
Im Grunde ähnelt der Aufbau des Apparats sehr einem herkömmlichen MFM: Am Ende eines winzigen Federbalkens sitzt eine noch kleinere Magnetspitze und schwingt über der Probe. Die Schwingungen des Federarms werden dabei von einer Laseroptik erfasst. Soweit wie gehabt. Das Neue am MRFM ist nun, dass zusätzlich noch Mikrowellen auf die Probe eingestrahlt werden. Am Ort eines Elektronenspins überlagern sich so das magnetische Feld des Federbalkens sowie die magnetische Komponente der Mikrowellenstrahlung. Findet die Feldänderung lokal mit der richtigen Frequenz – der Resonanzfrequenz eines Spins – statt, dann klappt der jeweilige betroffene Spin um. Das jedoch bewirkt eine kleine Änderung des Schwingungsverhaltens des Biegebalkens, was letztlich den Spin verrät.
Da die winzige Magnetspitze am Federbalken kein homogenes Magnetfeld erzeugt, lässt sich mit ihr ein bestimmter Spin aus einer Probe herauspicken und analysieren. Rugar und Co führten das an einer eigens präparierten Siliziumdioxid-Probe vor, bei der einige ungepaarte Elektronenspins im Material saßen. Anders als bei herkömmlichen Rastermikroskopen konnten sie mit ihrem MRFM auch bis zu 100 Nanometer unter die Oberflächen schauen. Die Auflösung bei diesen Untersuchungen war mit 25 Nanometern immerhin schon vierzigmal besser als bei der MRI.
Aber nicht nur zum Aufspüren von Elektronenspins in Materialien soll das Gerät zu gebrauchen sein. Auch zum Speichern von Daten taugt die Technik prinzipiell. Da einzelne Spins die ideale Zutat für einen Quantencomputer darstellen, bietet sich das MRFM auch für diese Zukunftstechnik an. Nicht zuletzt werden sich auch Biologen über die neue Möglichkeit freuen, Biomoleküle in fast atomarer Auflösung untersuchen zu können.
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