Tiefer Einblick mit Antimaterie

News: Tiefer Einblick mit Antimaterie

Elektronenmikroskope erlauben Forschern einen unvergleichlichen Einblick in den Aufbau von Materie. Doch ist es auch mit heutiger Technik nicht eben leicht, winzige Defekte in der Kristallstruktur aufzudecken. Ein neuartiges Mikroskop, das anstelle von Elektronen deren Antiteilchen, die Positronen, verwendet, kann hier offenbar aushelfen, wie Wissenschaftler jüngst feststellten.

Thorsten Krome

Zu jedem Teilchen gibt es ein Gegenstück, das zwar die gleiche Masse und den gleichen Spin wie sein Verwandter trägt, jedoch entgegengesetzte Ladung oder ladungsartige Quantenzahlen besitzt. Bereits 1928 postulierte Paul Dirac diese Parallelwelt zur Materie, um eine Lücke in seiner verallgemeinerten Formulierung der Quantenmechanik zu schließen. Nur vier Jahre später gelang Carl David Anderson und Seth Neddermayer denn auch der Nachweis des ersten Antiteilchens, des Antielektrons. Das Positron, wie man es bald nannte, entsteht unter anderem bei einer Art des Beta-Zerfalls.

In Umgebung von "normaler" Materie hat es jedoch – wie alle Antiteilchen – nur eine sehr kurze Überlebenschance. Trifft es auf ein Elektron, so löschen die beiden Elementarteilchen einander aus und emittieren dabei zwei oder drei Photonen im Wellenlängenbereich der Gammastrahlung. Werden zwei Lichtquanten frei, so besitzen sie jeweils die charakteristische Energie von 511 Kiloelektronenvolt. Diese so genannte Elektron-Positron-Annihilations-Strahlung nutzt nun ein neuartiges Mikroskop, um Aufschluss über den Aufbau von Materie zu erhalten.

Das Funktionsprinzip des Raster-Positronen-Mikroskops (SPM; Scanning Positron Microscope) ähnelt dabei dem eines Raster-Elektronen-Mikroskops (SEM). Nur werden in diesem Fall keine Elektronen auf die Probe gelenkt, sondern eben Positronen. Dabei entstammen die Antiteilchen einer Quelle aus Natrium-22, dessen natürlicher Zerfallsprozess die Positronen freisetzt. Anfangs bilden sie einen kontinuierlichen Strahl mit einer kinetische Energie von etwa 20 Elektronenvolt. Mit Sägezahn- und Sinusspannung im Megahertzbereich wird dieser aber in kleine Häppchen mit einer durchschnittlichen Energie von fünf Kiloelektronenvolt zerstückelt. Anschließend werden die Positronen von einem Wolframkristall reflektiert, noch einmal beschleunigt und schließlich auf die Probe fokussiert.

Anders als beim SEM muss beim SPM der Raum vor der Probe frei von Materie sein, da sonst schon hier Strahlung entstände. Außerdem ist die Art der Bildgewinnung grundlegend verschieden: Während beim SEM die rückgestreuten Elektronen detektiert werden, erfasst beim SPM ein Detektor die bei der Paarvernichtung entstehende Annihilations-Strahlung. Ein Probenbild entsteht nun, indem die gemessene Lebensdauer der Positronen in Abhängigkeit des Ortes dargestellt wird.

Das Verfahren eignet sich insbesondere, um Defekte im Material zu untersuchen. Das können zum Beispiel Fehlstellen sein, also Bereiche im Kristallgitter, wo schlichtweg ein Atom fehlt. An dieser Stelle ist dann auch die Elektronendichte entsprechend niedriger, was zu einer signifikant längeren Lebensdauer der Positronen führt. Werner Triftshäuser von der Universität der Bundeswehr in München schwärmt: "Positronen können noch Defektkonzentrationen von eins zu einer Million auflösen." Keine andere Messmethode wäre so empfindlich.

Triftshäuser und seine Kollegen zeigten die Qualitäten ihres Mikroskops zunächst an einer Testprobe, bei der sie ein Platinmuster auf die Siliciumdioxid-Schicht eines Siliciumsubstrats gedampft hatten. Dazu rasterten sie die Probe vorab mit einem normalen Elektronenstrahl ab, um einen Überblick zu erhalten. Danach polten sie sämtliche Potenziale der Ablenk- und Beschleunigungseinheiten um und untersuchten die Probe mit Positronen. Nach dem erfolgreichen Test prüften die Forscher eine Galiumarsenid-Probe, über die sie zuvor mit einer Diamantnadel kratzten.

Das SPM-Bild offenbarte nun neben den Defekten, die sich auch mit optischen Methoden oder dem SEM erkennen lassen, solche, die sich normalerweise unter der Oberfläche dem Blick entziehen. Sie zeugen von einer lokalen Verspannung des Materials, die vermutlich durch die Belastung mit der Nadel entstand. Wenngleich diese Resultate schon recht vielversprechend sind, nehmen die Wissenschaftler an, dass die wahre Stärke ihrer Messmethode sich erst beim Einsatz von Reaktoren als Positronenquelle zeigt, da diese einen intensiven Positronenstrom gewährleisten.