ZMN Ilmenau: Cryo-STM und verflüssigtes Helium eröffnen den mikroskopischen Blick auf Quantenanregungen

Vom kleinsten Mikrochip bis hin zu großen Rechenzentren – Informationsübertragung basiert auf bewegten Elektronen. Dieses Prinzip könnte in Zukunft zunehmend durch die Nutzung von Licht ergänzt werden. Schon heute ermöglicht die Verwendung von Lichtsignalen eine deutlich schnellere Datenübertragung – etwa in Glasfasernetzen. Darüber hinaus transportiert Licht die Information energieeffizient. Lichtbasierte Technologien gelten daher als Schlüssel, um den wachsenden Bedarf an leistungsfähigen Systemen in Zukunftsfeldern wie dem autonomen Fahren, Robotik oder dem Quantencomputing zu decken.

Am Fachgebiet Experimentalphysik/Oberflächenphysik I der Technischen Universität Ilmenau betreiben Wissenschaftler wie Max Kögler Grundlagenforschung, deren Ziel die Aufdeckung von physikalischen Mechanismen ist, die der Lichtemission aus einzelnen Molekülen zugrunde liegen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden auf Oberflächen Modellsysteme – man bezeichnet sie auch als NanoLabs – hergestellt. Sie erlauben, Änderungen auf atomarer Skala vorzunehmen und die Antwort des Systems experimentell zu erfassen. Diese Manipulation der Materie kann nur unter extremen Bedingungen durchgeführt werden, weshalb der Doktorand ein tiefgekühltes Rastertunnelmikroskop, das Cryo-STM, für seine Experimente verwendet. „Mit dem Rastertunnelmikroskop können wir einzelne Moleküle nicht nur sichtbar machen, sondern auch gezielt ihre Lichtemission und magnetischen Eigenschaften untersuchen. Das eröffnet neue Wege für photonische und spintronische Technologien der Zukunft“, erklärt Max Kögler.

Um die Teilchen, die sich bei Raumtemperatur ständig bewegen, sichtbar zu machen, nutzt Max verflüssigtes Helium, um die Bewegung der Moleküle und Atome einzufrieren. Die Kühlung bringt Proben auf etwa 4,2 Kelvin (rund −269 °C) – ein Temperaturbereich nah am absoluten Nullpunkt. So können Struktur, Position und elektronische Eigenschaften einzelner Moleküle präzise analysiert und deren Verhalten untersucht werden. Um den nachhaltigen Umgang mit der kostbaren und kostspieligen Ressource Helium zu gewährleisten, wird Helium-Gas aus den Kryostaten gesammelt und einer Verflüssigungsapparatur zugeführt. Der geschlossene Kreislauf sorgt dafür, dass nahezu kein Helium verloren geht.

Beide Geräte, die durch den Verbund „Forschungslabore Mikroelektronik Deutschland (ForLab)“ angeschafft wurden, sind am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien der TU Ilmenau angesiedelt und stehen ForLab-Universitäten und deren Partnern aus Forschung und Wirtschaft zur Nutzung zur Verfügung.

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Titelbild: Der Doktorand Max Kögler erforscht am Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop des ForLab-Verbundes Mechanismen der Lichtemission und den Magnetismus einzelner Moleküle.

Fotos: Eleonora Hamburg