Kraftmikroskope liefern heute sehr gute, aber flache Bilder von den Atomen auf einer Oberfläche. Den dreidimensionalen Blick in eine Schicht hinein erlaubt nun mit vergleichbarer Auflösung ein neues “Magnet-Resonanz-Kraftmikroskop” (MRFM), das amerikanische Physiker am IBM-Forschungszentrum in Almaden entwickelt haben. Dazu verfeinerten sie das vor allem aus der Medizintechnik bekannte Magnet-Resonanz-Verfahren derart, dass nicht mehr Millionen elektromagnetischer Spins nötig sind, um ein messbares Signal zu liefern, sondern bereits ein einziges dieser magnetischen Momente eines Elektrons ausreicht. Dieses neue Beobachtungsinstrument für die Nanoforschung, das in Zukunft auch als Leseeinheit für Spin-basierte Quantencomputer genutzt werden könnte, beschreiben die Forscher in der Fachzeitschrift Nature (Vol. 430, S. 329) .
“Dieses neue Werkzeug sollte unweigerlich zu fundamentalen Fortschritten in der Nanotechnologie und der Biologie führen”, sagt Daniel Rugar, Leiter der Nanoforschung im IBM Labor in San Jose. Mit der erstmals gelungenen Messung des magnetischen Spins eines einzelnen Elektrons einige Hundert Nanometer unter einer Oberfläche scheint dieser Optimismus berechtigt. Denn durch die Kombination der Kraftmikroskopie mit der Magnet-Resonanz-Technik erreichte das Team eine millionenfach größere Empfindlichkeit, als klassische Kernspin-Apparate in der Medizintechnik über die magnetische Resonanz von Protonen heute erreichen.
Zum empfindlichen Aufspüren der einzelnen magnetischen Momente dient ein nur 100 Millionstel Millimeter dicker Nanohebel aus Silizium. An dessen Spitze ist eine Magnetsonde aus den Elementen Samarium und Kobalt angebracht. Fährt diese rund 5000mal pro Sekunde schwingende Magnetnadel nun knapp über der Oberfläche entlang, wird die Vibrationsbewegung durch das extrem kleine, ausgerichtete Magnetfeld des Elektronenspins beeinflusst. Es ergibt sich eine Frequenzänderung in der Schwingung, die über Laser und Interferenzmessungen nachgewiesen werden kann.
In ersten Testversuchen erhielten Rugar und Kollegen dreidimensionale Bilder mit einer Auflösung von bis zu 25 Nanometern. Dabei konnten Oberflächen aus Siliziumdioxid bis in eine Tiefe von wenigen Hundert Nanometern quasi durchleuchtet werden. “Der Spin bei einem Elektron ist aber viel leichter zu messen als bei einem Proton, da dessen magnetisches Moment 600mal stärker ist”, so Rugar. In weiteren Versuchen will der Mikroskop-Erfinder nun die Empfindlichkeit seiner Technik noch deutlich erhöhen.
Neben den besseren Beobachtungsmöglichkeiten in der Nanotechnik und der Medizin lockt auch ein Lesegerät für zukünftige Quantencomputer. Nach ersten Konzepten sollen in diesen nicht elektrische Ladungen wie heute, sondern ebenfalls die magnetischen Spins zur Speicherung und Berechnung digitaler Daten herangezogen werden.
Jan Oliver Löfken
