Bild des Monats: Der Showroom für einzelne Atome Aus dem Institut für Angewandte Physik
Wer aktuell das Labor 005 im Forschungszentrum LENA betritt, ist erstmal etwas stutzig. Von der Decke hängt ein Großgerät aus Edelstahl. Noch ist die Arbeitsgruppe „Nanoskopische Systeme“ beim Aufbau ihres selbstkonstruierten sogenannten Photonen-Rastertunnelmikroskops (P-STM). Dennoch durften wir für das „Bild des Monats“ schon in die Herzkammer des Mikroskops blicken.
Die Herzkammer des Photon-STMs. Gut zu Erkennen: Die Halterung der Spitze über der Probe. Bildnachweis: Max Fuhrmann/TU Braunschweig
Man muss sich schon etwas einfallen lassen, wenn man einzelne Atome und Moleküle bildlich darstellen möchte. Das Photon-STM (aus dem Englischen für „Scanning Tunneling Microscope“) bringt dafür eine Spitze so nahe wie möglich an die Probenoberfläche, ohne sie jedoch zu berühren. Zwischen Spitze und Probe passen dann gerade mal zwei bis fünf Atome. Trotz mehrfacher Schwingungsdämmung genügen schon kleinste Vibration, um einen unerwünscht Kontakt herzustellen. Etwa wenn jemand durch den Raum geht.
Läuft alles nach Plan, sammelt das Mikroskop seine Informationen über ein geringes, aber äußerst präzises elektrisches Signal. Dabei bewegt man die Spitze Zeile für Zeile über die Oberfläche der Probe. Änderungen im Stromsignal geben für jeden Punkt Rückschlüsse auf Höhenunterschiede und elektronische Eigenschaften. Hierdurch können sogar einzelne Atome auf der Oberfläche bildlich sichtbar gemacht werden.
Leuchtende Moleküle
Im „Bild des Monats“ sieht man die Spitzenhalterungen, die Probe und einen extrem gut polierten Spiegel. Das Ende der Spitze selbst ist so dünn, dass sie mit dem menschlichen Auge nicht mehr zu sehen ist. Das man überhaupt ins Mikroskop blicken kann, macht das Photon-STM so besonders. Später soll ein angelegter Strom einzelne Moleküle zum Leuchten bringen, die dann eine spezielle Kamera direkt durch das Fenster beobachtet. Im Hintergrund befindet sich ein hochpräziser Spiegel. Er soll möglichst viel Licht nach außen leiten.
Bevor eine Probe in die zentrale Kammer des Photon-STM darf, wird sie in einer Nebenkammer aufwändig präpariert. Den Transport zwischen den Kammern erledigt der abgebildete Manipulator. Bildnachweis: Max Fuhrmann/TU Braunschweig
Außerdem besitzt das Photon STM eine hohe zeitliche Auflösung. Es erfasst Vorgänge, die im Bereich einer billionstel Sekunde stattfinden. So entdeckt es, an welchen Stellen und mit welcher Geschwindigkeit elektrische Energie in einem Molekül in Licht umgewandelt wird.
Das Gerät kann aber nicht nur einzelne Atome sichtbar machen, sondern diese auch mit Hilfe der Spitze an bestimmten Stellen platzieren. Atom für Atom lassen sich so künstliche Moleküle herstellen. Mit solcher Grundlagenforschung ebnet die Arbeitsgruppe von Professorin Uta Schlickum als Teil des Exzellenzclusters QuantumFrontiers beispielsweise den Weg für zukünftige Farbstoffe, die etwa Solarzellen oder OLEDS verbessern.
Datenübertragung für Quantencomputer
Das Labor 005 im LENA. Mit Unterstützung des Exzellenzclusters QuantumFrontiers entsteht hier das Photon-STM. Bildnachweis: Max Fuhrmann/TU Braunschweig
Das Photon STM kann auch sogenannte Einzelphotonenquellen, bestehend aus einem einzelnen Molekül, zum Leuchten bringen und untersuchen. Das besondere an solchen Quellen steckt bereits im Namen: Es entstehen niemals zwei oder mehr Lichtteilchen (Photonen) exakt gleichzeitig. Was als Lampe, gelinde gesagt, etwas dünn wäre, ist bei der Quanteninformationsübertragung sehr gefragt. In naher Zukunft könnten solche Lichtquellen die Datenübertragung zwischen zwei Quantencomputern – wie die vom Quantum Valley Lower Saxony – sichern.
