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Kraftmikroskopie zeigt einzelne Atome

Die Wissenschaftler bildeten ein einzelnes Wolframatom mit einem Rasterkraftmikroskop mit zweihundertmillionenfacher Vergrößerung ab und fanden innerhalb des Atoms vier Bereiche erhöhter Elektronendichte. In der Rasterkraftmikroskopie werden die zu untersuchenden Proben mit einer sehr feinen Spitze mechanisch abgetastet. Aus der räumlichen Variation der Kräfte zwischen Probe und Spitze wird das Mikroskopiebild gewonnen. Um die bestmögliche Auflösung zu erhalten, war es für die Forscher wichtig, als atomare Sonde ein sehr kleines, leichtes Atom zu verwenden. Kohlenstoffatome in Graphitkristallen sind hierfür hervorragende Kandidataten. Da Graphitkristalle eben sind, drehten die Wissenschaftler die Rolle von Sonde und Probe einfach um: das aus einer scharfen Wolframspitze herausragende letzte Atom wird von einem leichten Kohlenstoffatom des Graphits abgebildet. Dieser Fortschritt wurde durch mehrere Innovationen ermöglicht.

Die zwischen der Spitze und der Probe wirkende Kraft wurde bislang entweder durch die statische Durchbiegung eines die Spitze tragenden Federbalkens oder durch die Frequenzänderung eines schwingenden Federbalkens gemessen. Eigentlich interessiert man sich aber nicht für die gesamte zwischen Spitze und Probe wirkende Kraft, sondern nur für den Anteil zwischen dem Atom, das aus der Spitze am weitesten hervorsteht (Frontatom) und dem ihm nächsten Probenatom. Ein zentrales Problem der Kraftmikroskopie ist das Herauslösen des Frontatom-Beitrags. Anstatt einer statischen Durchbiegung oder einer Frequenzänderung werden in diesem Experiment Oberschwingungen des Federbalkens ausgewertet, die durch die Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe entstehen. Diese Oberschwingungen reagieren auf die kurzreichweitigen inneratomaren Kräfte wesentlich empfindlicher als die statische Durchbiegung des Balkens oder seine Frequenzänderung.

Das Experiment wurde in einem neuartigen Mikroskop durchgeführt, das auf eine Temperatur von nur 5 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlt ist. Außerdem arbeitet das Instrument im Ultrahochvakuum mit einem Druck von etwa 10^-13 einer Atmosphäre. Das Mikroskop ist auf ein 30 t schweres Fundament gebaut und von externen Störungen wie etwa Schall und elektromagnetischen Störfeldern durch eine metallische Schallschutzkammer isoliert.
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