Kleinstes Kreuz der Welt ist gleichzeitig größte durch Atom-Manipulation erzeugte Struktur Schweizer Kreuz aus nur 20 Atomen - scinexx | Das Wissensmagazin
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Kleinstes Kreuz der Welt ist gleichzeitig größte durch Atom-Manipulation erzeugte Struktur

Schweizer Kreuz aus nur 20 Atomen

Kleinstes Schweizer Kreuz der Welt: 20 Brom-Atome auf einer Natriumchlorid-Oberfläche, mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops platziert. Das Kreuz misst 5,6 Nanometer und ist auch bei Raumtemperatur stabil. © Departement Physik, Universität Basel

Flagge zeigen in der Nano-Welt: Ein internationales Forscherteam hat das kleinste Schweizer Kreuz der Welt aus 20 einzelnen Atomen zusammengesetzt. Es ist die erste derartige Manipulation von Atomen bei Raumtemperatur und auf einer elektrisch isolierenden Oberfläche, berichten die Wissenschaftler im Journal „Nature Communications“. Die verwendeten Mechanismen sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu atomaren Speichermedien.

Einzelne Atome zu bewegen ist gar nicht so einfach: Sie sind viel zu winzig, um sie zum Beispiel mit einer Pinzette zu greifen. Mit einem Rasterkraftmikroskop statt einer Pinzette lassen sich jedoch selbst einzelne Atome anheben und wieder absetzen. Dabei hält eine elektrische Spannung das Atom an einer hauchfeinen metallischen Spitze fest und lässt es wieder los. Seit den 1990er Jahren ist diese Technik unter Physikern bekannt.

Miniatur-Kreuz auf Kochsalz

Damit allein bleibt das manipulierte Atom noch nicht an Ort und Stelle: Bei höheren Temperaturen bewegen sich Atome sehr schnell und unkontrolliert durch die Gegend. Auf leitenden und halbleitenden Oberflächen, besonders bei sehr kalten Temperaturen, lassen sie sich mit Hilfe elektrischer Spannung aber gewissermaßen festkleben. Auf isolierenden Materialien bei Raumtemperatur war ein solcher Trick bislang eine große Herausforderung.

Physikern um Shigeki Kawai an der Universität Basel ist nun aber genau das gelungen: Aus 20 Brom-Atomen setzten sie das wahrscheinlich winzigste Schweizer Kreuz der Welt zusammen – bei Raumtemperatur. Der Untergrund für das nur 5,6 Nanometer messende Kreuz bestand aus Natriumchlorid – gewöhnlichem Kochsalz also. Als reiner Kristall ist das Salz ein elektrischer Isolator, Strom leitet es nur in gelöster Form. In den passenden Farben der Schweizer Landesflagge abgebildet ist das Kreuz allerdings nicht: Seine Größe liegt weit unterhalb der Wellenlängen von sichtbarem Licht und damit erkennbarer Farben.

Neue Mechanismen zur Atom-Manipulation

Das kleinste Kreuz ist dabei gleichzeitig die größte bislang bei Raumtemperatur durch derartige Manipulation erzeugte Struktur. Möglich wurde dies durch die Auswahl der verwendeten Atome: Brom lässt sich im Kristallgitter des Natriumchlorids gegen Chlor austauschen. Das Kreuz ist daher nicht bloß auf die Oberfläche geklebt, sondern eher darin eingebettet – so bleiben die Atome auch bei Raumtemperatur an Ort und Stelle.

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Das Atomkreuz ist aber mehr als nur Spielerei: Es liefert den Physikern wichtige Informationen, wie solche systematischen Atom-Manipulationen bei Raumtemperatur möglich sind. Mit Hilfe von Computersimulationen haben die Forscher neue Mechanismen identifiziert, die in Zukunft bei der Herstellung von neuartigen elektromechanischen Systemen, Speichermedien und Logikschaltkreisen zum Einsatz kommen könnten.

(Nature Communications, 2014; doi: 10.1038/ncomms5403)

(Universität Basel, 15.07.2014 – AKR)

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