“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.