Es ist ein Frühsommertag in Dahlem. Wenn man gerade vom hektischen und verkehrsverstopften Bahnhof Zoo kommt, wirkt das „ Dorf” angenehm ruhig. Die U-Bahn-Station ist im Stil eines Fachwerkhauses gestaltet. Viel Grün, schmucke Villen, hier und da eine Studentengruppe – die Freie Universität liegt in einer netten Ecke Berlins. Bei so sonnigem Wetter hockt man nicht gern im Dunkeln. Prof. Karl-Heinz Rieder vom Institut für Experimentalphysik und seine Mitarbeiter haben Glück, dass sie bei Tageslicht arbeiten können. Das ist nicht selbstverständlich, denn ihre Werkzeuge sind Rastertunnelmikroskope. Diese hoch sensiblen Geräte stehen normalerweise bei künstlicher Beleuchtung im Keller, weil dort, direkt auf dem Fundament, der Boden am wenigsten schwingt. Da dieses Gebäude aber keinen Keller hat, ist hier das Erdgeschoss die solideste Etage. „Ein Rastertunnelmikroskop auf einem vibrierenden Untergrund wäre genauso sinnlos wie ein Plattenspieler auf einer Wäscheschleuder” , sagt Rieder. Bei beiden Geräten ist sachter Umgang mit der feinen Nadel geboten, nur dass diese beim Rastertunnelmikroskop bis zu eine Million Mal kleiner und entsprechend empfindlicher ist. Die Nadel ist in ihrer Spitze im Idealfall sogar nur ein einziges Atom dünn. Mit diesem tastet das Gerät eine etwa centgroße spiegelglatte Metall- oder Halbleiterprobe ab. Die Atome von Spitze und Probe sind dabei nur wenige Atomdurchmesser voneinander entfernt – eine Distanz, über die sie Elektronen austauschen können: Es fließt der so genannte Tunnelstrom. Nähert sich die Spitze bei ihrem Tiefflug über die Oberfläche einem herausragenden Atom, wird der Abstand kleiner. Dadurch steigt der Tunnelstrom sprunghaft an. Das Gerät ist so programmiert, dass es in einer Rückkopplung die Nadel augenblicklich zurückzieht, bis der Strom wieder seinen ursprünglichen Wert erreicht hat. Gleitet die Spitze hingegen über eine atomare Delle, vergrößert sich der Abstand und der Tunnelstrom fällt jäh ab. Sofort senkt das Gerät die Spitze in das Tal hinein. Die Auf- und Niederbewegung der Nadel wird aufgezeichnet, und ein Computer konstruiert daraus ein Konturbild der atomaren Oberfläche. Auf diese Weise kamen jene Bilder zustande, die vor 20 Jahren für Aufsehen sorgten: Aufnahmen, die zum ersten Mal einzelne Atome auf Metalloberflächen sichtbar machten. Heute ist Rieders Arbeitsgruppe weltweit führend in der Bearbeitung und Gestaltung atomarer Strukturen mithilfe eines Rastertunnelmikroskops. „Der Trick besteht darin, mit der Spitze noch näher an die Probe heranzugehen, als dies beim Abbilden von Atomen der Fall ist”, erklärt Rieder. Fast auf Tuchfühlung, beginnt das vorderste Atom an der Nadelspitze eine schwache chemische Bindung mit dem unter ihm liegenden Atom der Probe auszubilden und übt somit eine Kraft auf dieses aus. Die Berliner Wissenschaftler haben gelernt, diese Kraft zu nutzen. Es ist, als könnten sie die Spannkraft einer imaginären Feder zwischen der Nadelspitze und einem bestimmten Atom auf der Oberfläche einstellen. Je nachdem, wie straff die Feder ist, stehen ihnen verschiedene Arten der Manipulation zur Verfügung. Sie schleifen das Atom gleichmäßig über die Oberfläche. Sie ziehen es ruckartig hinter der Spitze her oder schubsen es von ihr weg. Sie heben es auf und setzen es andernorts wieder ab, oder sie graben ein einzelnes Atom aus der Unterlage aus. Seit neuestem haben Rieder und seine Gruppe auch das Interesse der Chemiker geweckt, denn sie können mit dem Rastertunnelmikroskop Atome miteinander verknüpfen und wieder trennen. Es geht zu wie im Chemiebaukasten. Unter dem Mikroskop liegen zwei Jodbenzol-Moleküle auf einem Träger aus Kupfer. Sie bestehen aus einem Benzolring und einem daran angehängten Jod-Atom. Zu sehen sind beide Molekülbestandteile als helle Flecken. Nun fährt die Nadelspitze über eines der Moleküle, injiziert einen Elektronenstrom und trennt auf diese Weise, wie ein Chirurg mit dem Skalpell, das Jod-Atom sauber vom Ring ab. Dann amputiert die Spitze auch das Jod-Atom vom zweiten Molekül und zieht es aus dem Weg. Die beiden verbliebenen Benzolringe werden zusammengeschoben. Schließlich wirkt das Tunnelmikroskop als atomares Schweißgerät: Eine präzise Injektion von Elektronen knüpft die beiden Ringe chemisch zusammen. Als Letztes zieht die Spitze an einem Ende des neu entstandenen Moleküls. Wie zwei aneinander gekoppelte Eisenbahnwaggons ruckeln beide Ringe ihr nach. Das ist der Beweis: Sie sind tatsächlich fest miteinander verbunden. Nach jedem Manipulationsschritt ist die Spitze zurückgefahren, hat den für die Bildaufzeichnung nötigen Abstand eingenommen und ihr Werk durch eine Aufnahme der Oberfläche dokumentiert. Rieder nennt die neuen Manipulationstechniken molekulare Chirurgie. „Mein Traum wäre es, Atome und Moleküle nach Belieben auseinander zu nehmen und zu künstlichen Strukturen im Nanoformat zusammenzusetzen, zum Beispiel zu winzigen elektronischen Schaltkreisen”, schwärmt er. Doch dazu muss es erst gelingen, auch größere Moleküle mithilfe des Rastertunnelmikroskops gezielt zu verknüpfen. Daran arbeiten die Italienerin Dr. Francesca Moresco, die gerade bei Rieder habilitiert, und Doktorand Leo Gross. Die beiden Wissenschaftler versuchen längliche organische Moleküle, die mit vier Beinen auf der Oberfläche stehen, aneinander zu hängen. Da die Moleküle dank eines Metallatoms in ihrer Mitte elektrisch leitfähig sind, könnte auf diese Weise ein molekularer Draht entstehen. Leo Gross sitzt auf einem blauen Gymnastikball vor einem Bildschirm und steuert das Rastertunnelmikroskop neben ihm. Auf dem Monitor ist eines der Moleküle mit seinen vier Beinen zu sehen: ein Kleeblatt aus vier hellen Flecken. Nichts deutet darauf hin, dass in dem Mikroskop eisige Temperaturen von wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt und ein Ultrahochvakuum von rund zehn hoch minus zehn Hektopascal herrschen – das ist rund zehn Billionen Mal niedriger als der irdische Luftdruck. Das Vakuum hält den Träger weitgehend frei von störenden Luftmolekülen, und die Kälte verhindert, dass sich Atome und Moleküle auf der Oberfläche hin- und herbewegen. Die Berliner Wissenschaftler sind nicht die einzigen, die ihre Technik praktisch nutzen wollen. Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskope, wie sie von Rieders früherem Mitarbeiter Dr. Gerhard Meyer entwickelt wurden, werden seit kurzem kommerziell vertrieben. Immer mehr Forschungsstätten legen sich solche Geräte zu. Die Industrie entwickelt sogar Rastertunnelmikroskope mit einigen hundert Spitzen zur automatisierten Massenfertigung atomarer Strukturen. Noch ist das aber Zukunftsmusik. Gross legt mit dem Mauszeiger fest, wie die Nadel über das Molekül streifen soll. Augenblicklich wird der Befehl ausgeführt. Hat sich das Molekül gedreht? Mit Spannung verfolgt er das Rasterbild, das sich auf dem Monitor aufbaut. Nein. Noch einmal. So geht es stundenlang, mal mit mehr, mal mit weniger Erfolg. „Es ist fast wie ein Computerspiel”, findet der junge Forscher. „Man vergisst, wie klein die Moleküle sind”, ergänzt seine Kollegin Francesa Moresco. In der Tat wirkt es, als würden die Berliner Forscher Murmeln hin- und herbewegen. Neben einem der Rastertunnelmikroskope steht tatsächlich ein kleines Kästchen voller Murmeln! „Das Kugelmodell benutzen wir sehr oft, um die Vorgänge auf der Kristalloberfläche anschaulich zu machen” , erklärt Prof. Rieder. Aber lehrt die Quantenmechanik nicht, dass sich Atome ganz anders verhalten als Kugeln? Sagt sie nicht, dass Atome sowohl Welle als auch Teilchen sind, dass sich Ort und Geschwindigkeit nicht gleichzeitig messen lassen und dass man in Aufenthaltswahrscheinlichkeiten denken muss? Rieder lächelt: „Man darf nie vergessen, dass wir es hier mit gekoppelten Systemen zu tun haben.” Die Atome auf der Oberfläche sind zwar einzeln, aber sie stehen in engem Kontakt zu dem gesamten Metallträger. Sie sind dadurch keine Quantenobjekte, sondern Teil der uns vertrauten klassischen Erfahrungswelt. Daher sehen sie nicht nur aus wie Kugeln, sie verhalten sich auch tatsächlich so. Geheimnisvoll wird es, wenn die einzelnen Atome losgelöst von ihresgleichen im Vakuum schweben. Hier gelten nur noch die Gesetze der Quantenmechanik. Die Universität Innsbruck ist weltweit eine der führenden Einrichtungen bei der Forschung auf dem Gebiet der Quantenoptik. Die Innsbrucker Wissenschaftler um Prof. Rainer Blatt vom Institut für Experimentalphysik arbeiten in den meisten Experimenten mit eingesperrten Ionen. Eine Falle für ein Ion gleicht einer durch Elektrozaun abgesicherten Kuhweide: Die Gefängniswände sind elektrischer Natur. Es handelt sich um Elektroden, zwischen denen eine sehr schnell ihre Polung ändernde Wechselspannung anliegt. Je nach Anzahl der Gefangenen ist die Anordnung der Elektroden verschieden: für ein Ion ringförmig, für mehrere Ionen länglich. „Das Teilchen in der Falle versucht stets, auf den positiven Pol zuzufliegen. Doch kaum nähert es sich ihm, hat sich die anliegende Spannung schon wieder umgekehrt und es wird abgestoßen”, erklärt Blatt. Nur in der Mitte der Elektroden herrscht Ruhe: Hier gleichen sich alle Spannungen aus. Das Ion taumelt endlos um diesen Ruhepunkt herum – es ist in dem elektrischen Feld gefangen. Doch ein schwingendes Ion lässt sich nicht beobachten. Die Quantenoptiker müssen es zunächst abbremsen, damit es reglos in der Fallenmitte verharrt. Dazu verwenden sie Laserlicht (siehe Kasten „Kühlen per Laserlicht” auf Seite 89). Mithilfe der Laserkühlung ist es schließlich geschafft: Das Ion hält still und kann beobachtet werden. Es wird mit Laser-licht bestrahlt, und die als Antwort von ihm zurückgesandten Photonen werden mit einer empfindlichen Kamera aufgezeichnet. Liegt die Wellenlänge des ausgestrahlten Lichts in dem für Menschen sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, kann man das Leuchten des Ions sogar mit eigenen Augen sehen – als schwaches punktförmiges Leuchten. Nur heute leider nicht: Es ist Wochenende. In Blatts Labor stehen große, schwere Tische, die voll gestellt sind mit optischen Geräten: zahlreiche kleine Spiegelhalter, zwischen denen normalerweise Laserstrahlen hin- und hergehen. Die scheinbare Unordnung hat System: Jeder Spiegel ist exakt ausgerichtet. Überall verlaufen Kabel, auch an der Decke. Werkzeuge liegen herum, dazwischen stehen Kaffeetassen. Sonst arbeiten hier 18 Mitarbeiter. Zwischen all der Präzisionstechnik finden sich hier und da Hinweise auf den Humor der Benutzer: Ein Pappschild behauptet: „Für Kinder über 3 Jahre geeignet”, eine King-Kong-Figur ist auf einem Messgerät platziert und fletscht grimmig die Zähne. Ein Poster illustriert das „rot-grüne Chaos”. In diesem Fall bezieht es sich auf das Gewirr von roten und grünen Lasern. Die Ionenfalle selbst ist winzig im Vergleich zu der Hochvakuumapparatur, die sie beherbergt. Man kann sie sehen, wenn man mit einer Taschenlampe zwischen den dicken Stahlrohren hindurch in die Apparatur hineinleuchtet. Vier Elektroden, die wie Messerschneiden geformt sind, lassen einen dünnen, länglichen Hohlraum frei, der an den Seiten von zwei spitzen Elektrodenstiften begrenzt wird. „Es ist eine so genannte lineare Ionenfalle, in der mehrere Ionen gefangen werden können”, erklärt Blatt. Dank der Laserkühlung schweben sie darin still nebeneinander, wie auf einer Perlenschnur aufgereiht. Blatts Mitarbeiter Ferdinand Schmidt-Kaler und seine Gruppe wollen mit den Ionen quantenmechanisch rechnen (siehe Kasten „Musik der Quanten” auf Seite 97). Ein Ion mit zwei Energieniveaus stellt dabei ein Quantenbit dar, mehrere Ionen ein Quantenregister. Wie ein Rechner sieht die Apparatur in dem Innsbrucker Labor allerdings nicht aus. Blatt lächelt: „Die Leute stellen sich immer so etwas Kleines wie ihren PC vor. Dabei wird der Quantenrechner nie einen PC ersetzen.” Die Innsbrucker Forscher haben eine Technik entwickelt, mit der sie ihre Quantenbits nach Belieben „umschalten” können. Sie strahlen Laserlicht gezielt auf einzelne Ionen und verändern dadurch die Verteilung der Elektronen auf den beiden Energieniveaus. Auf diese Weise bringen sie die Quantenbits in die für die Rechnung nötige Ausgangsstellung. Während der Rechnung „hüpfen” die Elektronen zwischen den beiden Energieniveaus hin und her und führen dabei den programmierten Algorithmus aus. Am Schluss lässt sich das Ergebnis ablesen, indem wieder Laserlicht auf das Ion gestrahlt wird. Wie funktioniert aber ein quantenmechanisches Rechenprogramm? Man braucht logische Operationen, vor allem Wenn-Dann-Verknüpfungen. Zum Beispiel: Wenn Ion A im höheren Energieniveau ist, dann soll auch Ion B seinen Energiezustand ändern – sonst nicht. Woher soll Ion B aber wissen, in welchem Energiezustand Ion A ist? Dazu haben sich Prof. Ignacio Cirac und Prof. Peter Zoller von der Universität Innsbruck vor ein paar Jahren einen Trick ausgedacht. Blatt und seine Mitstreiter sind nun kurz davor, ihn in die Tat umzusetzen. Der Hintergrund: Es ist möglich, den inneren Anregungszustand von Ion A per Laserpuls in eine Schwingungsbewegung umzuwandeln. Dabei stößt das Ion automatisch die Ionen links und rechts neben ihm an, und die ganze Kette fängt an zu schwingen. Nun bestrahlt man Ion B mit einem Laserpuls. Wä-re das Teilchen immer noch in Ruhe, würde die Energie dieses Pulses nicht ausreichen, um es in den energiereicheren Zustand zu heben. Aber da es sich ja mit der Kette hin- und herbewegt, kann es über den Doppler-Effekt doch angeregt werden. Wäre Ion A hingegen am Anfang nicht angeregt gewesen, hätte die Kette nicht geschwungen – und der auf Ion B gerichtete Laserstrahl hätte nichts bewirkt. So könnte also eine Wenn-Dann-Verknüpfung zwischen zwei Quantenbits zustande kommen. Gelingt sie, wollen die Innsbrucker Forscher mit ihrem kleinen Quantencomputer fundamentale Fragen der Informationsverarbeitung mithilfe von Quantenphänomenen beantworten. Blatt blickt erwartungsvoll in die Zukunft: „Wir betrachten jetzt die Fundamente der Quantenmechanik mit den Augen eines Informatikers. Dadurch wird ein ganz neues Tor aufgestoßen.” Die Arbeit mit einzelnen Atomen – sei es in magnetischen Vakuumfallen oder mit dem Rastertunnelmikroskop – fasziniert längst nicht mehr nur Physiker. Auch Informatiker und Chemiker lassen sich von der Möglichkeit begeistern, Atome zu manipulieren. Neue interdisziplinäre Technologien sind im Entstehen. Die Urväter der Quantenmechanik würden staunen, was man mit dem abstrakten Theoriegebilde Atom in der Praxis alles anstellen kann – und die alten Griechen, die „Erfinder” des Atoms, erst recht.
Kompakt
Mit einem Rastertunnelmikroskop lassen sich nicht nur einzelne Atome und Moleküle an Oberflächen gezielt bewegen und anordnen – sie können zudem chemisch miteinander verknüpft und wieder getrennt werden. Derzeit werden Rastertunnelmikroskope mit hunderten von Spitzen entwickelt, um mit ihnen atomare Strukturen für eine künftige Nanoelektronik in Massenfertigung herzustellen. In Fallen aus Magnetfeldern eingesperrte Atome können durch Laserlicht gezielt zwischen verschiedenen Zuständen umgeschaltet werden – möglicherweise die Basis für künftige Quantencomputer.
Vom Mythos zum Spielball der Physiker
Vor mehr als 2000 Jahren „erfanden” die griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit das Atom. Sie behaupteten, die Materie setze sich aus winzigen Teilchen zusammen. Zuvor hatte man an eine homogene Weltkugel geglaubt, die nicht aus kleineren Einheiten aufgebaut sei. Vorstellungen von einer inneren Struktur der Atome aus positiv und negativ geladenen Bestandteilen entwickelten Wissenschaftler wie Joseph John Thomson um 1900, kurz nach der Entdeckung des Elektrons im Jahr 1897. Experimente von Ernest Rutherford zeigten 1910, dass es einen Atomkern geben musste, der von einer Hülle aus Elektronen umgeben ist. In den folgenden Jahren entwickelten die beiden Physiker Niels Bohr und Arnold Sommerfeld detaillierte Modelle der Bahnen, auf denen die Elektronen um den positiv geladenen Kern aus Protonen und Neutronen kreisen sollten.
Dabei dachten die Forscher nach wie vor an Teilchen, die sich – wie die Planeten auf ihrem Weg um die Sonne – auf konkreten Bahnen bewegen, wenn sie den Atomkern umrunden. Erst die Entwicklung der Quantenmechanik durch Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger bereitete dieser Vorstellung ein Ende. Demnach lassen sich für den Aufenthaltsort der Elektronen in einem Atom nur noch bestimmte Wahrscheinlichkeiten angeben. Bald darauf ließ sich das Atom bis ins Innerste mathematisch exakt beschreiben, doch erblickt hatte es nie jemand – bis sich Anfang der achtziger Jahre eine Revolution in der Physik ereignete: Einzelne Atome wurden sichtbar. Dies geschah gleich zweifach: Da war zum einen das Rastertunnelmikroskop, das Halbleiter- und Metalloberflächen in atomarer Auflösung zeigte. Dafür erhielten die beiden IBM-Forscher Gerd Binnig und Heinrich Rohrer 1986 den Physiknobelpreis. Zum anderen ließen sich einzelne Ionen, also Atome, die ein Elektron verloren hatten, in Vakuumfallen einfangen und zum Leuchten anregen. Heute ist es nicht mehr so sehr die Frage nach der Natur des Atoms, die die Physiker antreibt. Vielmehr nutzen sie die Winzlinge, um neue Technologien zu erschaffen. Fast unbemerkt sind aus Physikern Nano-Konstrukteure und Quanten-Ingenieure geworden, deren Bausteine einzelne Atome sind.
Kühlen per Laserlicht
Ein Atom Absorbiert nur dann ein eingestrahltes Laserphoton, wenn dieses genau die richtige Energie hat. Das Photon hebt zunächst ein Elektron des Atoms von seinem Grundzustand in einen höheren Energiezustand. Anschließend hüpft das Elektron wieder in seinen Grundzustand zurück und strahlt dabei ein neues Photon ab. Bei der Laserkühlung kann man diesen Vorgang so gestalten, dass das Atom an Bewegungsenergie verliert und dadurch immer langsamer wird. Dazu werden Laserphotonen eingestrahlt, deren Energie ein klein wenig zu niedrig ist. Atome in Ruhe absorbieren daher kein Licht. Wenn ein Atom jedoch in Richtung des Lasers fliegt, erscheint ihm wegen des so genannten Doppler-Effekts die Frequenz und damit auch die Energie der Photonen höher. Das entgegen der Richtung des Lichts fliegende Atom kann also Photonen absorbieren. Den Doppler-Effekt kennt man auch aus dem Alltag: Rast etwa ein Krankenwagen an uns vorbei, klingt die Sirene beim Heranfahren höher als wenn er sich entfernt. Bei der Absorption eines Photons wird auch sein Impuls übertragen. Das Atom erhält daher einen kleinen Stoß von vorne aus der Richtung des Laserstrahls. Das anschließend ausgesandte Photon gibt dem Atom einen weiteren Stoß in eine zufällige Richtung. Durch eine Abfolge von vielen solchen Impulsüberträgen gegen die Bewegungsrichtung des Atoms wird dessen Geschwindigkeit immer geringer. Obwohl ein einzelnes Photon nur wenig an der Geschwindigkeit des Atoms ändert, führt die rasche Abfolge von Absorptions- und Emissionsprozessen dazu, dass die Atome dennoch schnell und effizient abbremsen. Mit einer Anordnung von Laserstrahlen aus allen sechs Raumrichtungen kühlt man Atome auf Temperaturen von wenigen tausendstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt (Doppler-Kühlung). Mit verfeinerten, aber im Prinzip ähnlichen Methoden erreicht man sogar Temperaturen von Nanokelvin – das heißt, man ist nur noch einige Milliardstel Grad vom absoluten Nullpunkt entfernt. Das Atom bewegt sich bei so tiefen Temperaturen lediglich mit einer Geschwindigkeit von einigen Millimetern pro Sekunde.
Internet
Bildergalerie von Prof. Hänsch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ): www.mpq.mpg.de/haensch/ bec/gallery/index.html
Bildergalerie mit Rastertunnelmikroskop-Aufnahmen auf der Homepage des Almaden Research Centers von IBM: www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html
Beschreibung der Forschungsarbeiten zur Quantenoptik am MPQ in Garching (pdf-Datei): www.mpg.de/deutsch/aktuell/forschung/01_4/mpf01_4_062_069.pdf
Anschauliche Erklärungen zum physikalischen Hintergrund des Bose-Einstein-Kondensats: www.mpq.mpg.de/bec-anschaulich/html/kondensat.html
Anleitung zum Eigenbau eines Rastertunnelmikroskops: sxm4.uni-muenster.de/stm-de/
Funktion eines Rastertunnelmikroskops auf der Homepage des Deutschen Museums: www.deutsches-museum.de/ ausstell/meister/rtm.htm
Erklärung der Funktionsweise der Laserkühlung: www.physik.uni-stuttgart.de/ institute/pi/5/lehre/hauptseminar2001/Laserkuehlung/7laser.htm
Infos zur Verleihung des Physiknobelpreises 1986 an Gerd Binnig und Heinrich Rohrer für die Konstruktion eines Rastertunnelmikroskops: www.nobel.se/physics/laureates/1986/index.html
Carola Hanisch
