Messtechnik zeigt Defekte auf atomarer Ebene an Mit Antiteilchen auf Fehlersuche - scinexx | Das Wissensmagazin
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Messtechnik zeigt Defekte auf atomarer Ebene an

Mit Antiteilchen auf Fehlersuche

In der Probenkammer der Positronenquelle NEPOMUC an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TU Muenchen wird der Positronenstrahl im Ultrahochvakuum auf die Oberflaeche einer Probe fokussiert © Foto: Jakob Mayer / TU München

Die geheimnisvolle Antimaterie ist nicht nur exotisches Beiwerk in Kinofilmen wie „Illuminati“, sondern auch ein faszinierendes Wissenschaftsgebiet. Münchener Forscher gewinnen die Antiteilchen von Elektronen, die so genannten Positronen – und das in der weltweit höchsten Intensität. Die knapp eine Milliarde Positronen pro Sekunde kommen in der Nano-Materialforschung zum Einsatz: Sie entdecken Fehlstellen im Atomgitter und können dabei einzelne Elemente präzise unterscheiden.

Während Tom Hanks auf der Suche nach Antimaterie aus dem Teilchenphysiklabor CERN in der Schweiz quer durch Rom jagen muss, hat Christoph Hugenschmidt von der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München pro Sekunde eine Milliarde Antiteilchen zur Verfügung. Das Positron ist dabei so harmlos wie sein Gegenpart, das Elektron. NEPOMUC (NEutron-induced POsitron source MUniCh) hat der TUM-Physiker die Neutronen-induzierte Positronenquelle genannt – die intensivste der Welt.

Das Besondere an der Positronenquelle in Garching ist, dass die Teilchen sich im Ultrahochvakuum durch magnetische und elektrische Felder fast verlustfrei bis zu den fünf verschiedenen Experimentierstationen leiten lassen. „Den Wissenschaftlern, die ihre Experimente an der Positronenquelle des FRM II durchführen, stehen damit bis zu 1.000 Mal mehr Positronen pro Sekunde zur Verfügung als in jedem anderen Labor der Welt“, sagt Hugenschmidt. Das spart wertvolle Experimentierzeit. Versuche mit Positronen, die sonst Wochen dauern, können am FRM II innerhalb von einigen Minuten oder Stunden durchgeführt werden.

Dreikörperproblem im Visier

„Gleichzeitig haben wir die Empfindlichkeit gesteigert, und es lassen sich daher völlig neue Fragestellungen in der Grundlagenphysik beantworten“, zählt Hugenschmidt weitere Vorteile auf. So untersucht man derzeit das negativ geladene Positronium, ein Teilchen, das aus zwei Elektronen und einem Positron besteht. Bei den drei Teilchen, die sich gegenseitig umkreisen, interessiert vor allem das Dreikörperproblem, das schon Kepler und Copernicus aufwarfen: Wie verlaufen die Bahnen dreier Körper unter dem Einfluss ihrer gegenseitigen Anziehung?

Die Positronen werden indirekt aus Neutronen des Reaktors erzeugt. Das Herzstück der Positronenquelle besteht aus einer Struktur aus Kadmium und Platinfolien. Das Kadmium fängt die Neutronen ein und gibt dabei hochenergetische Gammastrahlung ab. Die Energie dieser elektromagnetischen Strahlung wird in Platin gemäß der Einsteinschen Äquivalenz von Masse und Energie E=mc2 in Masse umgewandelt. Dabei entstehen zu gleichen Teilen Materie und Antimaterie: Elektronen und Positronen. Um die Positronen möglichst lange zum Experimentieren zu nutzen, muss man sie von Materie fernhalten. Denn bei Kontakt mit einem Elektron zerstrahlen sie sofort.

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Positronen für die Materialforschung

Positronen werden außer für Grundlagenexperimente vor allem in der Materialforschung eingesetzt, weil sie nicht nur Defekte im Atomgitter erkennen, sondern auch Atomsorten unterscheiden können. Je nach Element zerstrahlen die Positronen bei der Berührung mit den Elektronen unterschiedlich. Die dabei messbare Gammastrahlung ist wie ein Fingerabdruck spezifisch für ein Element. Die Empfindlichkeit der Positronen wiesen die Forscher um Hugenschmidt nun in einem Versuch mit Aluminium und Zinn nach. Unter einer nur 200 Nanometer dünnen Schicht aus 500 Lagen Aluminium-Atomen wurde eine einzelne Lage aus Zinn-Atomen eingebettet. Trotzdem konnten die Positronen die Zinnschicht aufspüren.

Diese Messtechnik soll nun nicht nur Defekte auf atomarer Ebene zeigen, sondern wird zukünftig auf dotierte Halbleiter und metallische Werkstoffe angewandt werden, um darin kleinste Verunreinigungen sichtbar zu machen. Dazu entwickelt Hugenschmidt gerade neue Messapparaturen an der Positronenquelle des FRM II und unternimmt Experimente in Kooperation mit der Universität der Bundeswehr München, der Universität München und dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.

(idw – Technische Universität München, 01.10.2009 – DLO)

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