Presseaussendung der TU Wien vom 05.11.2012

Vortex-Strahlen, die wie ein Wirbelsturm rotieren, bieten völlig neue Möglichkeiten für die Elektronenmikroskopie. An der TU Wien wurden eine Möglichkeit entdeckt, extrem intensive Vortexstrahlen zu erzeugen.

Elektronenmikroskope sind heute ein unverzichtbares Werkzeug, ganz besonders in der Materialwissenschaft. An der TU Wien wird an Elektronenstrahlen geforscht, die eine innere Rotation haben, ähnlich wie ein Wirbelsturm. Mit Hilfe dieser sogenannten „Vortex-Strahlen“ können nicht nur Objekte abgebildet, sondern auch materialspezifische Eigenschaften untersucht werden – mit einer Präzision im Nanometerbereich. Ein neuer Forschungsdurchbruch ermöglicht nun viel intensivere Vortexstrahlen als je zuvor.

Quanten-Tornado: Das Elektron als Welle

In einem Tornado drehen sich die einzelnen Luftteilchen zwar nicht unbedingt um die eigene Achse, aber der Luftsog insgesamt hat eine mächtige Rotation. Ganz ähnlich verhalten sich die rotierenden Elektronenstrahlen, die an der TU Wien hergestellt werden. Um sie zu verstehen, darf man sich die Elektronen nicht bloß als winzige Punkte oder Kügelchen vorstellen, denn die könnten sich höchstens um ihre eigene Achse drehen. Die Vortex-Strahlen hingegen lassen sich nur quantenphysikalisch erklären: Die Elektronen verhalten sich wie eine Welle, und diese Quanten-Welle kann rotieren, wie ein Tornado oder wie die Wasserströmung hinter einer Schiffsschraube.

„Nachdem der Vortex-Strahl einen Drehimpuls trägt, kann er auch Drehimpuls auf das Objekt übertragen, auf das er trifft“, erklärt Prof. Peter Schattschneider vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. Der Drehimpuls der Elektronen in einem Festkörper ist eng mit seinen magnetischen Eigenschaften verknüpft. Für die Materialwissenschaft ist es daher ein ungeheurer Vorteil, durch die neuartigen Elektronenstrahlen auch Aussagen über Drehimpuls-Zustände treffen zu können.

Strahlen drehen – mit Blenden und Masken

Peter Schattschneider und Michael Stöger-Pollach (USTEM, TU Wien) arbeiten gemeinsam mit einer Forschungsgruppe aus Antwerpen daran, möglichst intensive und sauber kontrollierbare Vortex-Strahlen in einem Transmissions-Elektronenmikroskop zu erzeugen. Bereits vor zwei Jahren gab es erste Erfolge: Damals wurde der Elektronenstrahl durch eine winzige gitterartige Maske hindurchgeschossen, wodurch er sich in drei Teilstrahlen aufspalten ließ: Einen rechtsdrehenden, einen linksdrehenden und einen Strahl ohne Rotation.

Nun wurde eine neue, noch viel mächtigere Methode entwickelt: Die Forscher verwenden eine Blende, die zur Hälfte von einer Siliziumnitrid-Schicht bedeckt wird. Diese Schicht ist so dünn, dass die Elektronen sie fast absorptionsfrei durchdringen können, aber geeignet phasenverschoben werden. „Nach Fokussierung durch eine speziell abgestimmte astigmatische Linse erhält man einen einzelnen Vortexstrahl“, erklärt Michael Stöger-Pollach.
 
Dieser Strahl ist um eine Größenordnung intensiver als die Vortex-Strahlen, die man bisher erzeugen konnte. „Erstens spalten wir den Strahl nicht in drei Teile auf, wie bei der Gittermaske, sondern der gesamte Elektronenstrom wird in Rotation versetzt. Zweitens hatte die Gittermaske den Nachteil, die Hälfte  der Elektronen zu blockieren – die neue Spezialblende tut das nicht“, sagt Stöger-Pollach.

Durch die neue Technik lassen sich nun auch rechts- und linksdrehende Strahlen zuverlässig unterscheiden – das war bisher nur schwer möglich. Addiert man nun nämlich zu rechts- und linksdrehenden Strahlen jeweils einen bestimmten Drehimpuls hinzu, wird die Drehung des einen Strahls verstärkt, die des anderen Strahles nimmt ab.

Elektronenmikroskop mit Twist

Die neue Technologie wurde von dem Forschungsteam kürzlich im Fachjournal „Physical Review Letters“ präsentiert. In Zukunft soll die Methode für die Materialforschung eingesetzt werden. Besonders bei neu entwickelten Designer-Materialien stehen magnetische Eigenschaften oft im Zentrum der Aufmerksamkeit. „Ein Transmissions-Elektronenmikroskop mit Vortex-Strahlen ließe uns diese Eigenschaften nanometergenau untersuchen“, meint Peter Schattschneider.

Auch exotischere Anwendungen von Vortex-Strahlen sind denkbar: Im Prinzip kann man mit solchen drehimpulstragenden Strahlen Objekte in Rotation versetzen – etwa einzelne Moleküle. Vortex-Strahlen könnten daher auch neue Türen in der Nanotechnologie öffnen. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Pressemitteilung der TU Graz vom 25.10.2012

Leistung im Miniformat: Die elektronischen Bauelemente der Zukunft sollen schneller, leistungsfähiger und vor allem immer kleiner sein. Die langfristige Vision der ultimativen Miniaturisierung sind einzelne Moleküle, die elektrisch leiten und schalten. Um dieser Vision näher zu kommen, müssen die Wechselwirkungen und physikalischen Eigenschaften von Molekülen im Detail erforscht werden. David Egger, Dissertant am Institut für Festkörperphysik der TU Graz, hat genau das getan und ist dabei auf ein interessantes Phänomen gestoßen: Im Kollektiv verhalten sich die chemischen Bauteile nicht als „Einzelkämpfer“, sondern arbeiten zusammen. Die Forschungsarbeit, die der junge Wissenschafter in Kooperation mit Kollegen der Humboldt-Universität zu Berlin verfasste, wurde kürzlich im renommierten Fachjournal „Advanced Materials“ publiziert.

Die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Bauelemente ist durch physikalische Grenzen nur eingeschränkt möglich – noch. Wie man diese Grenzen überwinden könnte, wird in der Nanoelektronik erprobt: „Ziel ist es, statt Halbleiter-Mikrostrukturen einzelne Moleküle als elektrische Leiter und Schalter fungieren zu lassen“, erklärt David Egger vom Institut für Festkörperphysik.

Gemeinsam anders als alleine

In seiner Doktorarbeit hat der Physiker in einem Forschungsaufenthalt bei Georg Heimel an der Humboldt-Universität zu Berlin die Eigenschaften von organischen Molekülen in verschiedenen Situationen untersucht. Dabei hat sich ein überraschendes Phänomen offenbart: Zwei organische Moleküle, die individuell betrachtet sehr ähnliche physikalische Eigenschaften haben, zeigen im Kollektiv einer Nanometer dünnen Schicht völlig unterschiedliche Charakteristika. „Wenn die Moleküle kooperieren, ändern sich plötzlich wichtige elektrische Kennzahlen wie die Leitfähigkeit oder das elektrische Verhalten bei Erwärmung“, erklärt Egger.

Modellierung an Hochleistungsrechnern

Ein grundlegendes Verständnis von derartigen Phänomenen im Nanobereich ist für die Entwicklung neuartiger Bauteile, etwa für die Chipindustrie, essentiell. Da bestimmte physikalische Prozesse für Experimente nur schwer unter kontrollierten Bedingungen zugänglich sind, nutzt Egger zum besseren Verständnis die Modellierung und Simulation an Hochleistungsrechnern und untersucht die Wechselwirkung von Molekülen in dünnen Schichten so unter stabilen Bedingungen.

Biografische Skizze

David Egger wurde 1987 in Klagenfurt geboren. Er studierte Technische Physik an der TU Graz und schloss seinen Master 2010 ab. Derzeit ist er Doktorand bei Egbert Zojer am Institut für Festkörperphysik der TU Graz. David Egger ist Träger des DOC Stipendium der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und wurde 2011 mit dem Forschungspreis für Simulation und Modellierung des Landes Steiermark – „Nachwuchsförderung“ ausgezeichnet.

www.tugraz.at

Presseaussendung der TU Wien vom 18.09.2012

Elektrisch geladene Teilchen dienen als Werkzeug für die Nanotechnologie. Die TU Wien und das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf konnten nun wichtige Fragen über die Wirkung von Ionen auf Oberflächen klären.

Ionenstrahlen werden schon lange eingesetzt um Oberflächen zu manipulieren. An der TU Wien werden Ionen mit so hoher Energie untersucht, dass bereits ein einziges der Teilchen drastische Veränderungen auf der damit beschossenen Oberfläche hervorruft. Nach aufwändigen Forschungen konnte nun erklärt werden, warum sich dabei manchmal Einschusskrater, in anderen Fällen hingegen Erhebungen bilden. Die Untersuchungen wurden kürzlich im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.

Ladung statt Wucht

„Will man möglichst viel Energie auf einem kleinen Punkt der Oberfläche einbringen, bringt es wenig, die Oberfläche einfach mit besonders schnellen Atomen zu beschießen“, erklärt Prof. Friedrich Aumayr vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Schnelle Teilchen dringen tief in das Material ein und verteilen ihre Energie daher über einen weiten Bereich.“

Wenn man den einzelnen Atomen allerdings zuerst viele Elektronen entreißt und die hochgeladenen Teilchen dann mit der Materialoberfläche kollidieren lässt, sind die Auswirkungen dramatisch: Die Energie, die man vorher aufwenden musste um die Atome zu ionisieren wird dann in einer Region von wenigen  Nanometern Durchmesser freigesetzt.

Das kann bewirken, dass ein winziger Bereich des Materials schmilzt, seine geordnete atomare Struktur verliert und sich ausdehnt. Das Resultat sind sogenannte Nano-Hillocks, kleine Hügel auf der Materialoberfläche. Die hohe elektrische Ladung, die in Form des Ions in das Material eingebracht wird, hat einen starken Einfluss auf die Elektronen des Materials. Das führt dazu, dass sich die Atome aus ihren Plätzen lösen. Reicht die Energie nicht aus um das Material lokal zum Schmelzen zu bringen, können zwar keine Nano-Hillocks, aber kleine Löcher in der Oberfläche entstehen.

Um so ein detailliertes Bild von den Vorgängen an der Materialoberfläche zu bekommen, waren nicht nur aufwändige Experimente sondern auch Computersimulationen und theoretische Arbeit nötig. Friedrich Aumayr und sein Dissertant Robert Ritter arbeiteten daher eng mit Prof. Joachim Burgdörfer, Christoph Lemell und Georg Wachter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien zusammen. Die Experimente wurden in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf durchgeführt.

Potentielle und Kinetische Energie

„Wir haben zwei verschiedene Formen von Energie zur Verfügung“, erklärt Friedrich Aumayr: „Einerseits die potentielle Energie der Ionen, die sie aufgrund ihrer elektrischen Ladung besitzen, andererseits die Bewegungsenergie, die sie aufgrund ihrer Geschwindigkeit haben.“ Abhängig von diesen beiden Energie-Größen hinterlassen die Ionen unterschiedliche Spuren auf der Oberfläche.

Lange Zeit schien die Vorstellung, die man von diesen Prozessen hatte allerdings nicht so recht mit den Messungen übereinzustimmen. Verschiedene Materialien schienen sich unter Ionenbeschuss ganz unterschiedlich zu verhalten, manchmal war überhaupt keine Veränderung der Oberfläche zu sehen, auch wenn man eigentlich deutliche Löcher erwartet hätte.

Säure macht Oberflächen-Verletzungen sichtbar

„Das Rätsel konnte allerdings gelöst werden, in dem wir die Oberflächen kurz mit Säure behandelten“, sagt Friedrich Aumayr. „Dabei zeigte sich, dass manche Oberflächen durch den Ionenbeschuss zwar verändert worden waren, die Atome hatten sich aber noch nicht völlig von der Oberfläche gelöst. Die mit einem Atomkraftmikroskop erstellten Bilder zeigten daher keine Veränderung.“ Durch Säurebehandlung wurden genau diese getroffenen Stellen allerdings viel stärker angegriffen als die feste, unverletzte Struktur – die Löcher wurden sichtbar.

Vermutung bestätigt

„Für uns war das der letzte große Puzzlestein für das Verständnis der Wechselwirkung zwischen den Ionen und der Oberfläche“, sagt Aumayr. „Durch die Untersuchung mit Hilfe der Säure können wir nun viel besser nachweisen, bei welchen Energien die Oberfläche wie stark verändert wird – damit ergibt sich für uns nun endlich ein geschlossenes Bild.“ Das Entstehen der Hillocks hängt stark vom Ladungszustand, aber kaum von der Geschwindigkeit der Ionen-Geschoße ab. Das Auftreten von Löchern hingegen wird maßgeblich durch die Bewegungsenergie der Ionen bestimmt. „Vermutet hatten wir das schon lange. Meine Studenten haben mir sogar vor drei Jahren schon eine Geburtstagstorte geschenkt, die genau diesen Zusammenhang darstellte – in Schokolade und Zuckerguss“, verrät Aumayr. Damals war das noch Spekulation – doch nun, nach aufwändigen Messungen, wurde ein beinahe identisches Diagramm im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert. (Florian Aigner)

Publikation:
A.S. El-Said, R.A. Wilhelm, R. Heller, S. Facsko, C. Lemell, G. Wachter, J. Burgdörfer, R. Ritter, F. Aumayr Phase diagram for nanostructuring CaF2 surfaces by slow highly charged ions Physical Review Letters 109 (2012) 117602 (5 pages)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Medienmitteilung der Universität Basel vom 29.08.2012

In der experimentellen Physik kann das Kühlen auf immer tiefere Temperaturen zur Entdeckung neuer Naturgesetze führen. Das Team um Prof. Dominik Zumbühl von der Universität Basel hat nun in Zusammenarbeit mit dem IBM-Forschungslabor in Rüschlikon beobachtet, dass in Nanostrukturen bei sehr tiefen Temperaturen ein bislang etabliertes Naturgesetz verletzt wird. Diese Entdeckung könnte wichtige Konsequenzen für den Bau eines Quantencomputers haben. Zusammen mit der Aalto-Universität in Finnland konnten die Basler Physiker zudem den bisher kältesten «Kühlschrank» für Nanostrukturen entwickeln. Die Resultate sind in den Fachzeitschriften «Physical Review Letters» und «Review of Scientific Instruments» publiziert.

Nanostrukturen – beispielsweise auf Quantenmechanik basierende elektronische Bauteile – sind vielversprechende Kandidaten für die Entwicklung eines Quantencomputers. Soll ein solcher Computer die ihm vorausgesagte enorme Rechenleistung erbringen, müssen die Nanostrukturen auf Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Erst bei diesen extremen Bedingungen lassen sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Elektronen, die Spins, kontrollieren. Ein Forscherteam um den Basler Physikprofessor Dominik Zumbühl hat nun zusammen mit dem IBM-Forschungslabor in Rüschlikon entdeckt, dass sich bei diesen Temperaturen die Spins innerhalb der Nanostrukturen deutlich besser kontrollieren lassen als bisher angenommen.

Naturgesetz bei tiefen Temperaturen verletzt

Das sogenannte Korringa-Gesetz ist ein Naturgesetz, das die Kopplung zwischen dem Magnetismus (Spin) der Elektronen und demjenigen der Kerne in einem Metall beschreibt. Es besagt, dass die Kopplungsstärke der Kernspins proportional zur Temperatur der Elektronen ist. Die Forscher untersuchten diese Kopplung mit einer neu entwickelten Methode und stellten dabei fest, dass das Korringa-Gesetz bei sehr tiefen Temperaturen verletzt ist.

Die auf elektronischen Messungen basierende Methode verwendet ein sogenanntes Spin-Valve, mit dem magnetisch polarisierte Elektronen im metallischen Halbleiter Galliumarsenid (GaAs) kontrolliert erzeugt werden können. Mit der Spin-Valve-Methode konnten die Forscher nun zeigen, dass die Kopplung zwischen dem Magnetismus von Elektronen und Kernen in GaAs wesentlich stärker ist als erwartet. Mit der entdeckten stärkeren Kopplung von Elektronen- und Kernspin könnte man mit einer bereits etablierten magnetischen Kühltechnik für Kerne künftig eine bessere Kühlung der Elektronen erzielen.

Kältester Nano-Kühlschrank

Ein Quantencomputer löst komplexe Rechenvorgänge wie Klimasimulationen in einem Bruchteil der Zeit, die der beste heute existierende Computer benötigt. Elektronen in GaAs-Nanostrukturen gehören zu den bedeutendsten Anwärtern für die Realisierung eines künftigen Quantencomputers. Diese Idee geht auf den Basler Physikprofessor Daniel Loss zurück, der dafür mit dem Marcel-Benoist-Preis 2010 ausgezeichnet wurde. Ein solcher Quantencomputer kann nur bei sehr tiefen Temperaturen funktionieren. Die Basler Physiker haben zu diesem Zweck mit Unterstützung eines Starting Grant des European Research Council einen Kühlschrank speziell für Nanostrukturen entwickelt, welcher nun Temperaturen von weniger als einem tausendstel Grad Celsius über dem absoluten Temperaturnullpunkt erreicht hat. Damit erzielten die Forscher den Kälterekord für einen Nanostruktur-Kühlschrank. Bei solch tiefen Temperaturen wird allgemein eine stark dezimierte Fehlerrate beim künftigen Quantencomputing erwartet. Ausserdem erhoffen sich die Forscher, bei den tiefsten Temperaturen eine neue Art von Materie zu entdecken.

Originalbeiträge:

D. Kölbl, D. M. Zumbühl, A. Fuhrer, G. Salis, S. F. Alvarado
Breakdown of the Korringa Law of Nuclear Spin Relaxation in Metallic GaAs
Phys. Rev. Lett. 109, 086601 (2012) | doi: 10.1103/PhysRevLett.109.086601

L. Casparis, M. Meschke, D. Maradan, A. C. Clark, C. Scheller, K. K. Schwarzwälder, J. P. Pekola, D. M. Zumbühl
Metallic Coulomb Blockade Thermometry down to 10 mK and below
Rev. Sci. Instr. 83, 083903 (2012) | doi: 10.1063/1.4744944

Externer Link: www.unibas.ch

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 03.07.2012

Mittels Strom schalten Forscher den magnetischen Zustand und den elektrischen Widerstand eines einzelnen Moleküls an und aus / Blaupause für neuartige, kompakte Speichermedien

Um eine digitale Information, ein Bit, auf einer Festplatte zu speichern, werden etwa drei Millionen Atome belegt. Forscher aus Karlsruhe, Straßburg und Chiba/Japan haben nun einen Speicher entwickelt, indem ein einzelnes Molekül ein Bit trägt. Maßgeblich beteiligt sind Nano-Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Mittels eines Stromimpulses lässt sich das metallorganische Molekül zuverlässig zwischen leitendem, magnetischem und kaum-leitendem, unmagnetischem Zustand umschalten. Über diese für Moleküle neuartige Korrelation berichten die Forscher nun im Fachmagazin Nature Communications (doi: 10.1038/ncomms1940).

„Immer kleinere Bit-Größen in einer Festplatte zu realisieren, wird von dem superparamagnetischen Effekt verhindert“, erklärt Toshio Miyamachi, Erstautor der Studie und Forscher am Center for Functional Nanostructures (CFN) am KIT. Der superparamagnetische Effekt beschreibt, dass unter einer gewissen Größe der magnetischen Speicherkristalle, diese immer anfälliger für thermisches Umschalten werden und deshalb die Information rasch verloren geht. „Deshalb haben wir einen anderen Ansatz gewählt und in die Mitte eines organischen Moleküls aus 51 Atomen ein einzelnes magnetisches Eisenatom gesetzt. Die Hülle schützt die Information, die im zentralen Atom gespeichert ist.“ Neben der ultimativen Dichte von einem Bit pro Molekül hat diese Art des Speicherns mittels sogenannter spin-crossover-Molekülen auch den Vorteil, dass der Schreibvorgang zuverlässig und rein elektrisch von statten geht.

„Mittels eines Rastertunnelmikroskops konnten wir definierte Stromstöße auf das nanometergroße Molekül geben“, ergänzt Wulf Wulfhekel, Leiter der Karlsruher Forschergruppe am Physikalischen Institut. „Interessanterweise ändert sich dadurch nicht nur reproduzierbar der magnetische Zustand des Eisens, sondern auch die elektrischen Eigenschaften des Moleküls.“ Die zwei möglichen magnetischen Konfigurationen führen also zu verschiedenen Leitfähigkeiten und der magnetische Zustand lässt sich sehr einfach über eine Widerstandsmessung ermitteln.

In der aktuellen Studie legen die Forscher erst die Grundlagen und zeigen die prinzipielle Machbarkeit und Vorteile von Speichern aus spin-crossover-Molekülen. „Diese in einem Molekül kombinierten memristiven und spintronischen Eigenschaften stoßen das Tor zu einem neuen Forschungsfeld auf“, sind sich die Forscher sicher. Als Memristoren werden Speicher bezeichnet, die Informationen als Widerstandsänderungen ablegen. Die Spintronik nutzt den magnetischen Spin einzelner Teilchen für die Informationsverarbeitung.

Beteiligt an der Studie waren die Labore des Center for Functional Nanostructures (CFN) am KIT, das Institut de Physique et Chimie des Matériaux (IPCMS) in Straßburg, das Synchrotron SOLEIL in Paris und die Universität Chiba in Japan. (kes)

Fachveröffentlichung:
T. Miyamachi, M. Gruber, V. Davesne, M. Bowen, S. Boukari, L. Joly, F. Scheurer, G. Rogez, T.K. Yamada, P. Ohresser, E. Beaurepaire, W. Wulfhekel, Robust spin crossover and memristance across a single molecule. Nat. Commun. , doi: 10.1038/ncomms1940

Externer Link: www.kit.edu