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F.A.Z. v. 16.2.2000

Magnetisches Abbild eines Atoms

Elektronen von winzigem Brennspiegel gebündelt / Von Rainer Scharf

Mit dem Rastertunnelmikroskop ist es in den vergangenen Jahren möglich geworden, einzelne Atome zu neuartigen Strukturen mit ungewöhnlichen Eigenschaften zusammenzufügen. So haben Don Eigler und seine Mitarbeiter vom IBM-Forschungszentrum in San Jose in Kalifornien eine Hand voll Atome mit der Spitze des Tunnelmikroskops auf einer glatten Kupferoberfläche verschoben und zu einer winzigen Ellipse angeordnet. Im Innern dieses rund zehn Nanometer großen ellipsenförmigen Geheges wurden einige Dutzend Leitungselektronen gefangen, die sich normalerweise frei in der Kupferoberfläche bewegen können. Jetzt ist es Eigler und seinen Mitarbeitern gelungen, die gefangenen Elektronen mit Hilfe des ellipsenförmigen Atomgeheges zu bündeln und mit ihnen ein Atom abzubilden ("Nature", Bd. 403, S. 512).

Für ihren Versuch brachten die Wissenschaftler ein Kobaltatom in das Innere des Geheges und platzierten es in einem der beiden Brennpunkte der Ellipse. Da das Kobaltatom magnetisch ist, beeinflusst es das Verhalten der Leitungselektronen in seiner Nähe. Die Elektronen richten ihre magnetischen Momente so aus, dass sie das magnetische Moment des Kobaltatoms völlig abschirmen. Während auf den Bildern, die mit dem Rastertunnelmikroskop bei tiefen Temperaturen gemacht wurden, die Atome klar umrissene Positionen einnehmen, lassen sich die Elektronen nur verschwommen erkennen. Auf Grund der quantenmechanischen Wellennatur der Elektronen erscheint die Kupferoberfläche leicht gekräuselt.

Die Wolke magnetisch ausgerichteter Elektronen, die das Kobaltatom umgibt, verändert die elektrischen Eigenschaften der Kupferoberfläche in der Nähe des Atoms. Diesen so genannten Kondo-Effekt haben die Wissenschaftler jetzt mit dem Rastertunnelmikroskop sichtbar gemacht. Sie brachten die Spitze des Mikroskops in die Nähe des Kobaltatoms und ließen einen elektrischen Strom von der Spitze in die Kupferoberfläche fließen. Je mehr sich die Spitze dem Atom von der Seite her näherte, desto größer wurde der elektrische Widerstand, den der Strom überwinden musste. War die Spitze hingegen mehr als einen Nanometer vom Atom entfernt, war kein Kondo-Effekt zu beobachten. Demnach war der Radius der Elektronenwolke kleiner als ein Nanometer.

Überraschenderweise trat der Kondo-Effekt wieder auf, als die Wissenschaftler die Spitze des Rastertunnelmikroskops über den zweiten Brennpunkt der Ellipse platzierten, an dem sich kein Atom befand. Zwar waren die gemessenen elektrischen Signale hier merklich schwächer als in der Nähe des Kobaltatoms. Doch offensichtlich umgab auch diesen Brennpunkt eine Wolke magnetisch ausgerichteter Elektronen. Die Atome des ellipsenförmigen Geheges hatten die vom Kobaltatom ausgehenden Elektronenwellen zurückgeworfen und im zweiten Brennpunkt gebündelt. Dort entstand dann ein magnetisches Abbild des Kobaltatoms. Es verschwand, wenn das Kobaltatom aus dem ersten Brennpunkt herausgeschoben wurde.

An dem Abbild kann man die magnetischen Eigenschaften des Kobaltatoms aus der Ferne studieren, ohne es dabei zu stören. Das ellipsenförmige Gehege aus Atomen gestattet es zudem, Informationen über atomare Distanzen hinweg zu übertragen. Diese Eigenschaft lässt sich vielleicht in extrem miniaturisierten Schaltkreisen nutzen. 
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