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Ein Schweizer Taschenmesser für die Quantenforschung

Regensburger Physiker an der Entwicklung eines Messinstruments für Quantenmaterialien beteiligt


14. Juli 2020

Multifunktionsgeräte wie das Schweizer Taschenmesser oder das Smartphone erfreuen sich weltweit großer Beliebtheit. Für den Bereich der atomaren Messung wurde jetzt ein vergleichbares Werkzeug entwickelt, eine Vorrichtung, die drei Aufgaben gleichzeitig bewältigen kann: Es bildet Atome ab; es kartographiert atomare Landschaften auf metallischen und isolierenden Oberflächen; und es zeichnet Ströme auf, die durch atomar dünne Materialien fließen. Die Physiker Dr. Julian Berwanger und Prof. Dr. Franz J. Gießibl von der Universität Regensburg haben zusammen mit Kollegen aus Südkorea und der Schweiz das Team des National Institute of Standards and Technology (NIST) – Fellows Dr. Joseph Stroscio in Gaithersburg, Maryland (USA), bei der Entwicklung eines neuartigen Instruments unterstützt, das drei Spielarten atomarer Messungen gleichzeitig bewältigt.

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Durch die Verbindung der drei Messmethoden erhoffen sich die Forscher Erkenntnisse über Materialien, die künftig zum Beispiel in Quantencomputern oder in der Telekommunikation zum Einsatz kommen könnten. Um diese sogenannten Quantenmaterialien genauer untersuchen zu können, integrierte das Forscherteam ein kompaktes Rasterkraftmikroskop und ein Gerät zur Messung des magnetischen Quantentransports in ein bestehendes Rastertunnelmikroskop. Prof. Dr. Franz Gießibl hat das Entwicklerteam mit seiner Expertise auf dem Gebiet der Rasterkraftmikroskopie unterstützt und den von ihm erfundenen Kraftsensor mit der atomar scharfen Messspitze für das neuartige Messinstrument weiterentwickelt.

Wenn das Dreifachgerät zum Einsatz kommt, befindet es sich – inklusive der zu untersuchenden Probe – in einem Kryostaten und wird auf eine Temperatur von -273,14°C abgekühlt, was nur 0,01 Grad wärmer als der absolute Temperaturnullpunkt ist. Bei dieser Temperatur sind die thermischen Zitterbewegungen der Atome minimiert, sodass Quanteneffekte störungsfrei beobachtet werden können. Die drei Messungen könnten grundsätzlich auch nacheinander in separat stehenden Geräten durchgeführt werden: „Doch in dem Moment, wo man die Probe aus dem einen Instrument aus- und in das nächste wieder einbaut, verursacht man eine Störung und die Analyse ist weit weniger präzise“ erläutert Dr. Stroscio und ergänzt: „Der Vorteil des Three-in-One-Geräts ist außerdem, dass bei allen drei Messungen die exakt gleichen Bedingungen herrschen und die Ergebnisse daher besser vergleichbar sind.“

Den detaillierten Bauplan des neuartigen Geräts zur Dreifachmessung hat die Forschergruppe des NIST Anfang Juli in der Fachzeitschrift „Review of Scientific Instruments“ veröffentlicht. Mit Hilfe dieser Vorlage können auch andere Forscherinnen und Forscher ihre Rastermikroskope aufrüsten. „Diese internationale Kooperation hat ein weltweit einzigartiges Instrument ermöglicht, von welchem spannende Impulse für die Quantenforschung erwartet werden“, erklärt Prof. Dr. Franz Gießibl.

Originalpublikation

J. Schwenk, S. Kim, J. Berwanger, F. Ghahari, D. Walkup, M.R. Slot, S.T. Le, W.G. Cullen, S.R. Blankenship, S. Vranjkovic, H.J. Hug, Y. Kuk, F.J. Giessibl and J.A. Stroscio. Achieving ueV tunneling resolution in an in-operando STM, AFM, and Magnetotransport System for Quantum Materials Research. Review of Scientific Instruments. Veröffentlicht am 6. Juli 2020. DOI: 10.1063/5.0005320

Foto: © NIST


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