So nützlich das Kraftmikroskop schon heute ist – wenn es nach seinem Erfinder geht, steht es erst am Anfang einer Ära, in der mikromechanische Sensoren und Manipulatoren zunehmend Aufgaben übernehmen, die bisher hoch-integrierter Elektronik vorbehalten waren. “Zurück in die Zukunft der Mechanik”, hat Gerd Binnig als Losung ausgegeben. Binnig schöpft seinen Optimismus aus der Tatsache, daß in der Nanometer-Werkstatt Reibung und Verschleiß viel geringer sind und mechanische Bewegungen viel rasanter vonstatten gehen als in unserer trägen makroskopischen Welt.
Was der Nobelpreisträger konkret meint, hat er mit seinem Team in Zürich zum Teil schon demonstriert. Millipede – Tausendfüßler – heißt ein Projekt, das den langsamen Rastersondentechniken Beine machen soll. Ganze Armeen von filigranen Tastärmchen – nur wenige zehn Mikrometer kurz – werden in einem aufwendigen Prozeß aus Silizium geätzt und mit Elektronik auf einem Chip kombiniert. Ein Datenspeicher mit 25 Abtastnadeln existiert bereits.
Tausende dieser Fühler könnten eines Tages Mikrochips in Sekundenschnelle auf Fehler untersuchen – eine Technik, die bereits heute mit einzelnen Kraftmikroskopen angewandt wird, allerdings entsprechend langsam ist. Eine andere Anwendung sind sogenannte Gatter. Darunter versteht man logische Schaltelemente, die Ja-Nein-Aussagen nach den Gesetzen der Booleschen Algebra verarbeiten. Einfachstes Beispiel ist ein UND-Gatter: “Wenn an Eingang A und an Eingang B eine Spannung liegt, soll auch an Ausgang C eine Spannung erscheinen.” Solche primitiven Verknüpfungen wurden bisher elektronisch realisiert und gehören zu Zigtausenden zum Inventar jedes Mikroprozessors.
Die Züricher Forscher wollen dies jetzt mechanisch umsetzen. Sie koppeln die Zungen von drei Kraftmikroskopen so, daß die dritte Zunge schwingt, wenn die beiden anderen mit ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz angeregt werden. Mit dieser Mikroharmonika lassen sich theoretisch beliebige logische Schaltungen bauen.
Die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen von verschieden langen Zungen könnte der Schlüssel zu einer völlig neuen Synthese von Akustik, Mikromechanik und Elektronik sein. So wäre es vorstellbar, ein Mikrofon mit eingebauter Sprachverarbeitung zu bauen. In dem Tonaufnehmer würden Hunderte oder gar Tausende von winzigen Zungen sitzen, die jeweils auf eine bestimmte Frequenz getrimmt sind. Spräche man in das Mikrofon, würden je nach Tonhöhe und Frequenz unterschiedliche Zungenkombinationen angeregt. Logische Gatter könnten dann sofort die passenden Laute erkennen und an ein Spracherkennungsprogramm im Computer weitergeben.
Die komplizierte Analyse des Frequenzspektrums müßte dann nicht mehr im Computer stattfinden, sondern liefe rein mechanisch. Das Vorbild liefert – wie so oft – die Natur: Auch die Härchen, die im Ohr Schall in Nervenreize umsetzen, reagieren auf unterschiedliche Tonfrequenzen. Das künstliche Ohr ist zwar noch Zukunftsmusik, aber die Mikromechanik wird sich durchsetzen, beteuert Peter Vettiger, der bei IBM das Millipede-Team leitet.
Ein Handicap des Kraftmikroskops war bisher, daß man mit ihm nur gröbere Strukturen eines Materials sieht – einzelne Atome kann es nur mit Mühe sichtbar machen. Erst in letzter Zeit brachten die Forscher die Auflösung des Kraftmikroskops in die Nähe des Tunnelmikroskops. Dan Rugar vom IBM-Forschungszentrum in San José ist selbst das nicht genug. Er will die Empfindlichkeit des Kraftmikroskops so weit steigern, daß es sogar die magnetischen Eigenschaften von einzelnen Atomkernen messen kann.
Die Atomkerne verhalten sich wie kleine Stabmagneten, weil die Bausteine des Kerns wie Kreisel rotieren. Rugar möchte mit einem Magnetkraftmikroskop die winzigen Änderungen des Magnetfeldes fühlen – bisher ohne Erfolg. Doch Rugar ist optimistisch: Durch Verdünnen des Federarms auf wenige Atomlagen und weiteres Schärfen der magnetischen Spitze hofft er, die Empfindlichkeit des Kraftmikroskops so weit zu steigern, daß sich eines Tages jedes Atom durch seinen magnetischen Fingerabdruck verrät.
