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Small is beautyful: das Rastertunnelmikroskop

Vorstoß in die Welt der Atome

Das Gerät, mit dem man erstmals bis hinab zu den Atomen sehen konnte, heißt Rastertunnelmikroskop.


Ohne Berührung Tastet das Rastertunnelmikroskop das Profil der atomaren Landschaft ab.

Dabei ist eine feine Metallnadel die Übermittlerin der Botschaften aus der Quantenwelt. Ihre Spitze besteht im Idealfall aus einem einzigen Atom.

Wie beim Plattenspieler ertastet sie die atomare Landschaft Zeile für Zeile. Dank Quantenphysik geschieht das alles ohne Berührung. Elektronen springen von der Spitze auf die Kupferoberfläche. Es fließt ein Tunnelstrom. Dieser Strom wird konstant gehalten. Dafür muss der Abstand der Nadel zur Oberfläche stets gleich gehalten werden. Die Höhenregulierung funktioniert mit Hilfe eines Piezoröhrchens, das mit dem Tunnelstrom gesteuert wird. So lassen sich die Berge und Täler der Atomlandschaft genau abbilden. Der Abstand der Nadel zur Oberfläche beträgt nur wenige Atomdurchmesser. Damit es nicht zu Störungen kommt, ist deshalb eine ausgeklügelte Schwingungsdämpfung erforderlich.

Atome verschieben


Das kleinste Q der Welt besteht aus einzelnen Kupferatomen

Die Nadel zum Abtasten der Atome kann sogar noch eine zusätzliche Aufgabe erfüllen. Dafür wird sie noch tiefer abgesenkt: so weit, bis anziehende oder abstoßende Bindungskräfte wirksam werden. Jetzt kann ein Atom von der Oberfläche entweder an einen anderen Ort gezogen (anziehende Kraft) oder aber geschoben werden (abstoßende Kraft). Physiker der Freien Universität Berlin haben auf diese Weise aus Kupferatomen das kleinste Q der Welt gebaut. Es hat einen Durchmesser von etwa acht Nanometern, das sind 0,000000008 Meter.

Atomare Strukturen sind aber nicht die einzige Anwendung dieser neuen Technik: Der Strom zwischen Spitze und Oberfläche kann auch dazu genutzt werden, chemische Verbindungen in einem Molekül auf der Oberfläche gezielt zu lösen und neue Verbindungen herzustellen. So kann eine chemische Reaktion schrittweise an einem einzigen Molekül durchgeführt und während dessen untersucht werden.

Reinhart Brüning


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Sendedatum: 14.11.2000