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Mikroskop zeigt Magnetismus in atomarer Auflösung

(08.11.2019) Wissenschaftler aus Frankreich, Spanien und Deutschland haben einen Durchbruch bei der Vermessung magnetischer Strukturen erzielt. Den Forschern der Universität Strassburg sowie der Forschungszentren in San Sebastián und Jülich ist es gelungen, die magnetischen Momente bis auf die atomare Ebene sichtbar zu machen.


Kobaldatome

Topographische Aufnahme einer kleinen Ansammlung von Kobaltatomen auf einer Kupferoberfläche von 25 mal 25 Nanometer Grösse. Ebenfalls zu sehen sind Moleküle, die zur Funktionalisierung der Spitze verwendet werden (Nc). Das winzige Quadrat markiert den Bereich, der in der linken oberen Ecke vergrössert dargestellt ist und der das magnetische Wechselwirkungsfeld von verschiedenen Kobaltatomen darstellt. Bild:Forschungszentrum Jülich / Markus Ternes



Für ihre Untersuchung nutzten sie ein Rastertunnelmikroskop, das seit vielen Jahren zum wissenschaftlichen Standard gehört.

Um die Welt der einzelnen Atome und Moleküle zu erforschen, verwenden Wissenschaftler standardmässig Mikroskope, die nicht mit Licht- oder Elektronenstrahlen arbeiten, sondern eher wie ein hochempfindlicher Plattenspieler funktionieren. Die Geräte, die auch als Rastersondenmikroskope bezeichnet werden, verfügen über eine scharfe Nadel, mit deren Ende sie die Oberfläche einer Probe abtasten, um die Erhebungen und Vertiefungen zwischen einzelnen Atomen und Molekülen zu erfassen. Der Abstand zwischen Mikroskop-Spitze und Probenoberfläche lässt sich dabei über einen winzigen elektrischen Strom steuern, der zu fliessen beginnt, sobald sich beide Seiten bis auf den Bruchteil eines Nanometers – also eines Millionstel Millimeters – annähern.


Die Grundidee solcher Mikroskope stammt bereits aus den 1980er Jahren. Doch in den letzten zehn Jahren gelang es Wissenschaftlern in verschiedenen Labors weltweit, die Funktion der Geräte massgeblich zu verbessern und zu erweitern, indem sie die Tastspitze der Mikroskope geschickt veränderten. So lässt sich etwa über die Anbindung eines kleinen Moleküls wie Kohlenmonoxid oder Wasserstoff an der Mikroskop-Spitze eine beispiellose Verbesserung der Auflösung erzielen, mit der dann sogar die Abbildung chemischer Bindungen möglich ist.


Um die Spitze des Mikroskops für magnetische Momente empfindlich zu machen, platzierten Forscher ein Molekül vor die Mikroskop-Spitze, einen sogenannten molekularen Quantenmagneten, der ein Nickelatom enthält. Dieses Molekül ist im Grundzustand praktisch unmagnetisch. Durch elektrische Anregung lässt es sich aber leicht in verschiedene magnetische Zustände versetzen, so dass es wie ein winziger Magnet wirkt, mit dem sich magnetische Momente in einer einzigartigen räumlichen Auflösung und Empfindlichkeit auf atomarer Skala abbilden lassen.


Pressemitteilung Forschungszentrum Jülich


www.fz-jülich.de


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