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Wenn sich Atome zu nahe kommen


17. Dezember 2018

„Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält“ - dieses Faust’sche Streben ist durch die Rasterkraftmikroskopie möglich geworden. Bei dieser Mikroskopiemethode wird eine Oberfläche durch mechanisches Abtasten abgebildet. Der Abtastsensor besteht aus einem Federbalken mit einer atomar scharfen Spitze. Der Federbalken wird in eine Schwingung mit konstanter Amplitude versetzt und Frequenzänderungen der Schwingung erlauben es, kleinste Kräfte im Piko-Newtonbereich zu messen. Ein Newton beträgt zum Beispiel die Gewichtskraft einer Tafel Schokolade, und ein Piko-Newton ist ein Millionstel eines Millionstels eines Newtons. Da die Kräfte nicht direkt gemessen werden können, sondern durch die sogenannte Kraftspektroskopie über den Umweg einer Frequenzverschiebung bestimmt werden, ist ein Algorithmus zur Umrechnung nötig. Dazu wurden bisher zwei verschiedene Algorithmen eingesetzt, das 2001 von Giessibl vorgeschlagene Matrixverfahren und die 2004 von John Sader und Suzie Jarvis eingeführte Sader-Jarvis Methode.

Ferdinand Huber, Doktorand am Lehrstuhl Giessibl an der Fakultät für Physik der Universität Regensburg, hat nun die Kräfte zwischen Atomen nicht nur in einem Abstand gemessen, wo sich die Atome noch anziehen sondern auch bei kleinsten Abständen, wo erhebliche Abstoßungskräfte wirken. Dabei machte er eine überraschende Entdeckung: die beiden Verfahren (Matrix- und Sader-Jarvismethode) ergaben gravierende Unterschiede in den ermittelten Kräften.

In der im Dezemberheft der Zeitschrift Nature Nanotechnology erschienenen Publikation „Interatomic force laws that evade dynamic measurement“ von John E. Sader, Barry D. Hughes, Ferdinand Huber und Franz J. Giessibl (Nature Nanotechnology 13, 1088 (2018), https://www.nature.com/articles/s41565-018-0277-x) beschreiben die Autoren den Grund für diese Diskrepanz und weisen zugleich einen Ausweg aus dieser Misere.  Die Rückrechnung der Kräfte aus der Frequenzverschiebung ist ein aus der Mathematik wohl bekanntes inverses Problem. Inverse Probleme können aber, abhängig von den Randbedingungen, „schlecht gestellt“ und damit unlösbar sein. In der obigen Publikation wurde aufgezeigt, dass das Problem der Inversion in einem bestimmten Bereich der  Schwingungsamplitude schlecht gestellt ist. Die Lösung besteht nun darin, die Schwingungsamplitude entweder kleiner als einen bestimmten Wert (z. B. einem halben Atomdurchmesser) oder größer als einen bestimmten Wert (z. B. von zwei Atomdurchmessern, abhängig jeweils vom exakten Kraftverlauf) zu wählen. Die neuen Ergebnisse erlauben also, mit höchster Präzision die chemischen Bindungskräfte zu messen, die die Welt zusammen halten.

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Atomar aufgelöstes Bild des Übergangs einer Atomlage des Edelgases Xenon (links) benachbart von einer Atomlage Argon (rechts). Die beim Abtasten dieser Oberflächen wirkenden Kräfte werden mit Hilfe des in der Publikation beschriebenen Algorithmus aus der Frequenzänderung eines kleinen Federbalkens berechnet. © Ferdinand Huber


Ansprechpartner für Medienvertreter:

Prof. Dr. Franz Gießibl
Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik
Universität Regensburg
Tel.: 0941-943-2105
E-Mail: franz.giessibl@ur.de

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