“Made in Jülich”: Quantenmikroskop

Ras­ter­tun­nel­mi­kro­sko­pe bil­den Mate­ria­li­en mit ato­ma­rer Prä­zi­si­on ab und sind viel­sei­tig ein­setz­bar. For­schen­de nut­zen sie daher seit vie­len Jah­ren, um die Welt des Nano­kos­mos zu erkun­den. Phy­si­ker des For­schungs­zen­trums Jülich haben ein sol­ches Gerät nun für die Erfor­schung von Quan­ten­ef­fek­ten opti­miert. Ihr Ras­ter­tun­nel­mi­kro­skop kommt dank Magnet­küh­lung ohne beweg­li­che Tei­le aus und arbei­tet bei extrem tie­fen Tem­pe­ra­tu­ren von bis zu 30 Mil­li­kel­vin nahe­zu vibra­ti­ons­frei. Das Instru­ment kann For­schen­den künf­tig dabei hel­fen, die unge­wöhn­li­chen Eigen­schaf­ten von Quan­ten­ma­te­ria­li­en zu erschlie­ßen, die für die Ent­wick­lung von Quan­ten­com­pu­tern und –sen­so­ren von ent­schei­den­der Bedeu­tung sind.
Der Bereich in der Nähe des abso­lu­ten Null­punkts ist für die Phy­sik beson­ders span­nend. Ther­mi­sche Fluk­tua­tio­nen sind bei den tie­fen Tem­pe­ra­tu­ren auf ein Mini­mum redu­ziert. Die Geset­ze der Quan­ten­phy­sik kom­men ins Spiel und las­sen beson­de­re Eigen­schaf­ten von Mate­ria­li­en zuta­ge tre­ten. Elek­tri­scher Strom fließt dann ver­lust­frei ohne jeden Wider­stand. Ein ande­res Bei­spiel ist die soge­nann­te Supra­flui­di­tät: Ein­zel­ne Ato­me ver­schmel­zen zu einem kol­lek­ti­ven Zustand und bewe­gen sich rei­bungs­frei anein­an­der vorbei.
Sol­che extrem tie­fen Tem­pe­ra­tu­ren sind auch die not­wen­di­ge Vor­aus­set­zung, um Quan­ten­ef­fek­te für das Quan­ten­com­pu­ting zu erfor­schen und nutz­bar zu machen. For­schen­de welt­weit wie auch am For­schungs­zen­trum Jülich ver­fol­gen die­ses Ziel der­zeit mit Hoch­druck. Quan­ten­rech­ner könn­ten kon­ven­tio­nel­len Super­rech­nern bei bestimm­ten Auf­ga­ben haus­hoch über­le­gen sein. Doch die Ent­wick­lung steht noch ganz am Anfang. Eine zen­tra­le Her­aus­for­de­rung ist die Suche nach Mate­ria­li­en und Pro­zes­sen, die kom­ple­xe Archi­tek­tu­ren mit sta­bi­len Quan­ten­bits mög­lich machen.

„Ich glau­be, ein viel­sei­ti­ges Mikro­skop wie unse­res ist das Mit­tel der Wahl für die­se fas­zi­nie­ren­de Auf­ga­be, weil es die Abbil­dung und Mani­pu­la­ti­on von Mate­rie auf der Ebe­ne ein­zel­ner Ato­me und Mole­kü­le auf viel­fäl­ti­ge Art und Wei­se ermöglicht.“
— Rus­lan Temi­rov vom For­schungs­zen­trum Jülich

In jah­re­lan­ger Arbeit hat er zu die­sem Zweck zusam­men mit sei­nem Team ein Ras­ter­tun­nel­mi­kro­skop mit einer Magnet­küh­lung aus­ge­stat­tet. “Unser neu­es Mikro­skop unter­schei­det sich von allen ande­ren in ähn­li­cher Wei­se, wie sich ein Elek­tro­au­to von einem Ver­bren­ner unter­schei­det“, erläu­tert der Jüli­cher Phy­si­ker. Bis­lang setz­te man auf eine Art Flüs­sig­treib­stoff, eine Mischung aus zwei Heli­um-Iso­to­pen, um Mikro­sko­pe auf der­art nied­ri­ge Tem­pe­ra­tu­ren zu brin­gen. „Im Betrieb zir­ku­liert die­se Kühl­mi­schung fort­wäh­rend durch dün­ne Roh­re, was zu einem erhöh­ten Grund­rau­schen führt“, so Temirov.
Die Kühl­vor­rich­tung des Jüli­cher Mikro­skops beruht dage­gen auf dem Ver­fah­ren der adia­ba­ti­schen Ent­ma­gne­ti­sie­rung. Das Prin­zip ist nicht neu. Es wur­de bereits in den 1930er Jah­ren ein­ge­setzt, um im Labor erst­ma­lig Tem­pe­ra­tu­ren unter­halb von 1 Kel­vin zu rea­li­sie­ren. „Zur Küh­lung des Geräts ändern wir nur die Stär­ke des elek­tri­schen Stroms, der durch eine elek­tro­ma­gne­ti­sche Spu­le fließt. Unser Mikro­skop kommt daher ohne beweg­li­che Tei­le aus, und arbei­tet prak­tisch vibra­ti­ons­frei“, berich­tet Rus­lan Temirov.
Die Jüli­cher sind die Ers­ten, die ein Ras­ter­tun­nel­mi­kro­skop mit die­ser Tech­nik kon­stru­iert haben. „Die neue Kühl­tech­nik weist in der Pra­xis meh­re­re Vor­zü­ge auf. Nicht nur die Abbil­dungs­qua­li­tät pro­fi­tiert davon, auch die Bedie­nung des Geräts und der gesam­te Auf­bau ver­ein­fa­chen sich“, sagt Insti­tuts­lei­ter Ste­fan Tautz.
Das Jüli­cher Quan­ten­mi­kro­skop sei mit sei­nem modu­la­ren Design zudem offen für tech­ni­sche Fort­schrit­te, da sich Upgrades ein­fach rea­li­sie­ren las­sen. „Die adia­ba­ti­sche Küh­lung ist für die Ras­ter­tun­nel­mi­kro­sko­pie ein ech­ter Quan­ten­sprung. Die Vor­tei­le sind so signi­fi­kant, dass wir im nächs­ten Schritt nun einen kom­mer­zi­el­len Pro­to­typ ent­wi­ckeln“, erklärt Ste­fan Tautz. Quan­ten­tech­no­lo­gien ste­hen aktu­ell im Fokus der For­schung. Das Inter­es­se zahl­rei­cher For­schungs­grup­pen an einem sol­chen Instru­ment dürf­te also sicher sein.