Grenzfl�chenphysik

Kleinster Abschleppdienst der Welt

Mit feinsten Metallspitzen zerren Physiker einzelne Atome �ber Oberfl�chen von Kristallen und parken sie bis auf einen Atomdurchmesser genau. Welche Kraft n�tig ist, um ein Atom in Bewegung zu versetzen, haben Forscher aber erst jetzt gemessen - und herausgefunden, dass sich die Widerspenstigkeit der Teilchen stark unterscheidet.

Wer aus einzelnen Atomen elektronische Schaltungen aufbauen will, der muss wissen, welche Atomsorten sich leicht und welche sich schwer auf einer Unterlage bewegen lassen. F�r einen Schalter, der sich st�ndig �ffnen und schlie�en muss, braucht man m�glichst agile Atome, f�r eine feste Verbindung zweier Kontakte hingegen sind Teilchen gefragt, die m�glichst fest auf der Unterlage kleben.

Bislang gab es keine Kraftwaage, um die Standortfestigkeit der Atome zu messen. Grund genug f�r den Elektronikkonzern IBM, eine solche zu entwickeln. Die Forscher um Markus Ternes vom Almaden Research Center im kalifornischen San Jose und von der Universit�t Regensburg nutzten daf�r ein Rasterkraftmikroskop, das sie mit einem stimmgabelf�rmig geschliffenen Quarz best�ckten, wie er auch in Uhren verwendet wird. An der Unterseite des Quarzes brachten sie eine Metallnadel an, deren Spitze aus einem einzigen Atom besteht.

Die Forscher f�hrten die Nadelspitze in einer H�he von wenigen zehntel Nanometern (Millionstel Millimeter) �ber ein Kobalt-Atom hinweg, das auf einer Platin-Oberfl�che lag. Dabei lie�en sie den Quarz schwingen. W�hrend der Passage kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen Metallspitze und Kobalt-Atom, welche die Schwingungsfrequenz des Quarz-Kristalls ver�ndert – und zwar umso st�rker, je st�rker die Kraft zwischen Spitze und Nadel wirkt. Mit der Frequenz�nderung hatten die Forscher ein Ma� f�r die Kraft, mit der sie am Atom zerrten.

Allerdings konnten sie so nur jene Komponente der Kraft messen, die senkrecht zur Oberfl�che wirkt. Bildlich gesprochen konnten die Forscher zwar die Kraftkomponente messen, mit der ein Reisender seinen Rollkoffer anhebt, aber nicht die eigentliche Antriebskraft, die entlang der Laufrichtung des Ziehenden wirkt, die so genannte laterale Kraftkomponente. Hier entwickelten die Forscher einen Weg, die laterale Kraftkomponente aus der gemessenen senkrechten Komponente zu berechnen.

Nun senkten die Physiker die Metallspitze immer weiter herab, bis die Wechselwirkung zwischen ihr und dem Atom gro� genug war, um das Atom zu bewegen. Das geschah bei einer lateralen Zugkraft von 210 Pikonewton (Billionstel Newton). Die Zugkraft ist also etwa zwei Milliarden Mal kleiner als die Kraft, die n�tig ist, um einen Euro-Cent anzuheben.

Die Atome haften aber nicht an jeder Oberfl�che gleich stark: Auf einer Kupfer-Oberfl�che war nur eine laterale Kraft von gut 17 Pikonewton n�tig, um das Kobalt-Atom abzuschleppen. Die Abweichung erkl�ren die Wissenschaftler mit unterschiedlich starken chemischen Bindungen zwischen Atom und Oberfl�che. Au�erdem h�ngt die Zugkraft von der Art des Teilchens ab, das bewegt werden soll. Kohlenmonoxid-Molek�le setzten sich auf einer Kupfer-Oberfl�che erst bei 160 Pikonewton in Bewegung. Das f�hren die Forscher auf unterschiedliche Bindungspl�tze auf der Kristalloberfl�che zur�ck, die nicht vollkommen glatt ist, sondern einem Bienenwabenmuster �hnelt.

Aus diesem Grund sind die n�tigen Zugkr�fte richtungsabh�ngig. Die Forscher haben auch diese Richtungsabh�ngigkeit bestimmt und erstellten eine Reliefkarte der untersuchten Oberfl�chen, deren H�gel f�r gro�e und deren T�ler f�r kleine Zugkr�fte stehen. Solche Karten k�nnten nun f�r unterschiedliche Oberfl�chen und verschiedene darauf klebende Atomarten angefertigt werden, schreiben die Forscher. Das so generierte Wissen lasse sich f�r gezielte Manipulation einzelner Atome in der Nanotechnik nutzen. Auch die Grundlagenforschung k�nne profitieren: So erlaube die Technik, die mikroskopischen Ursachen der Reibung sowie die Diffusion von Atomen und Molek�len auf Oberfl�chen besser zu verstehen.