Cold Atom Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy – Kraftdetektion mit Atomwolken

Unter den Rastersondentechniken (engl. scanning probe microscopy, SPM) gehört die Rasterkraftmikroskopie (engl. atomic force microscopy, AFM) zu den Schlüsseltechniken, da sie das Abtasten von Oberflächen mit atomarer Auflösung unter allen Umgebungsbedingungen erlaubt. Auf diese Weise lassen sich neben der Topographie auch elastische, tribologische, elektronische, magnetische, thermische und chemische Eigenschaften von Nanostrukturen bestimmen [1]. Eine neue Technik der Rastersondenmikroskopie, die „Cold Atom Scanning Probe Microscopy“, (CA-SPM), wurde kürzlich in Tübingen (AG József Fortágh) entwickelt [2]. Hierbei ersetzt eine ultrakalte, gasförmige Atomwolke die feste Spitze eines konventionellen AFMs. und die ultraweiche „Probenspitze“ wird mithilfe eines chipbasierten magnetischen Förderbandes zur dreidimensionalen Abrasterung von Nanostrukturen bewegt. Mit dieser Probe, deren Form und Quantenzustand scharf definiert sind, lassen sich elektromagnetische Eigenschaften von Nanostrukturen vielseitig analysieren.

In Vorarbeiten zu diesem Antrag wurden die Topographie von Kohlenstoff-Nanoröhren sowie Kräfte an der Spitze von Kohlenstoff-Nanoröhren mit der Auflösung von 0.2 yN (2×10^-25 N) vermessen. Die Umsetzung der für AFMs in den letzten Jahrzehnten entwickelten Spektroskopie-Techniken [3-5] auf die CA-SPM bietet neue Abbildungs- und Analysemöglichkeiten von elektromagnetischen Feldern und Dispersionskräften in der Nähe von Oberflächen. Dies bildet den Schwerpunkt dieses Projektes, in dem die Techniken aus Tübingen (AG Fortágh), die AFM- Expertisen aus dem KIT (AG Hölscher) und die Expertisen zu Herstellung von funktionalisierten Nanostrukturen [6,7] am MPI für Festkörperforschung Stuttgart (AG Balasubramanian) zusammengeführt werden.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der „Cold Atom Scanning Probe Microscopy & Spectroscopy“. Eine ultrakalte Atomwolke in einer Magnetfalle tastet die Oberfläche in allen drei Dimensionen ab. Die Dynamik der Atomwolke in ihrem dreidimensionalen parabolischen Potential gibt Auskunft über die Topographie sowie elektromagnetische Felder und Dispersionskräfte der Probe.

[1]	E. Meyer, H.-J. Hug, R. Bennewitz: Scanning Probe Microscopy – The Lab on a Tip –, Springer, 2004
[2]	M. Gierling, P. Schneeweiß, G. Visanescu, P. Federsel, M. Häffner, D. P. Kern, T. E. Judd, A. Günther, J. Fortágh: Cold Atom Scanning Probe Microscopy, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/NNANO.2011.80 (2011)
[3]	H. Hölscher, W. Allers, U. D. Schwarz, A. Schwarz, R. Wiesendanger: Determination of tip-sample interaction potentials by dynamic force spectroscopy, Phys. Rev. Lett. 83, 4780-4783 (1999)
[4]	H. Hölscher, S. M. Langkat, A. Schwarz, R.Wiesendanger: Measurement of Three-Dimensional Force Fields with Atomic Resolution using Dynamic Force Spectroscopy, Appl. Phys. Lett. 81, 4428-4430 (2002)
[5]	H. Hölscher: Q-controlled dynamic force spectroscopy, Surf. Sci. 515, 517-522 (2002)
[6]	T. Kurkina, A. Vlandas, A. Ahmad, K. Kern, K. Balasubramanian: Label-free detection of few copies of DNA with carbon nanotube impedance biosensors, Angew. Chem. Intl. Ed. 50, 3710 (2011)
[7]	A. Vlandas, T. Kurkina, A. Ahmad, K. Kern, K. Balasubramanian: Enzyme-free sugar sensing in microfluidic channels with an affinity-based single-wall carbon nanotube sensor, Anal. Chem. 82 (14), 6090 (2010)