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Die Welt des Kleinsten






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Christian Bachmann

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Ein Gespräch mit dem Nobelpreisträger Heinrich Rohrer.

«Es begann mit einem technischen Problem», erinnert sich Heinrich Rohrer, Physiker am Forschungslabor der IBM in Rüschlikon. Seit Jahrzehnten werden die Chips für Computer kleiner und kleiner. Immer enger müssen Chip-Designer also die winzigen Bahnen packen, in denen als Träger aller Daten elektrische Ströme fliessen. Hauchdünne Schichten aus isolierendem Material sorgen dafür, dass die Datenströme nicht auf Abwege geraten.

Dieser Technik verdanken wir den PC auf dem Schreibtisch, der heute mehr leistet als die Rechenzentren der Hochschulen eine menschliche Generation zuvor. Die technischen Generationen der Computer sind da wesentlich schneller. Doch auf den enger und enger gepackten Chips haben sich die Datenströme plötzlich nicht mehr ohne weiteres in die vorgesehenen Bahnen zwingen lassen. Manchmal haben sie Tunnels in die Isolation gefressen und so auf die andere Bahn hinüber gewechselt.

«In diesem Fall ist der Tunneleffekt unerwünscht, doch Ende der sechziger Jahre versuchte man ihn bei IBM für ein neuartiges Computerprojekt auszunützen», erzählt Heinrich Rohrer. Gemeinsam mit seinem Kollegen Gerd Binnig erforschte er das technische Kernproblem dieses Vorhabens: Um solche Computer zu bauen, hätte man Isolierschichten mit einer hoch präzisen, auf ein Atom genauen Dicke herstellen müssen. Es galt nun herausfinden, wie solche Schichten wachsen und an Dicke zunehmen. Dazu entwickelten Binnig und Rohrer ein neues Instrument, das Rastertunnelmikroskop.

«Eigentlich beruht unser Gerät auf einem bestechend einfachen Prinzip», sagt Heinrich Rohrer: «Wir brachten eine winzige Nadelspitze sehr nahe an die zu untersuchende Isolierschicht. Um die Nadel zu steuern, bedienten wir uns des Tunnelstroms, der von der Nadelspitze durch die Isolierschicht fliesst, sobald sich die Spitze der Schicht bis auf den Bruchteil eines Nanometers genähert hat.» Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Übrigens gelang es dann doch nicht, die gewünschten ultragenauen Isolierschichten herzustellen. Doch für ihr Instrument erhielten die beiden Forscher 1986 den Physik-Nobelpreis.

Das Rastertunnelmikroskop hat den Blick ins Kleinste ungemein geschärft, mit einem Schlag in neue Dimensionen gerückt: Jetzt werden sogar einzelne Atome sichtbar. Und nicht nur das. Das handtellergrosse Gerät begründete eine ganze Familie von neuartigen Instrumenten, die sich alle der sogenannten Rastersondenmethode bedienen: Eine winzige Sonde tastet eine Materialprobe in nächster Nähe ab, wobei die Wege der Sonde ein Gitter oder eben Raster beschreiben. Das Rastertunnelmikroskop arbeitet mit dem Tunnelstrom, der zwischen Sonde und Materialprobe fliesst. Das Rasterkraftmikroskop misst die mechanische Anziehung zwischen Sonde und Probe, die sich bei winzigen Abständen ebenfalls verändert. Selbst für das Licht – klassisches Tummelfeld der Mikroskopie – gibt es inzwischen eine Rastersondenmethode, das optische Nahfeld-Mikroskop. Die Sonde ist hier eine ultrafein gezogene Glasfaser, an deren Ende ein Laserstrahl austritt. Dieser durchdringt eine dünne Schicht der Materialprobe, wobei ein Teil des Laserlichts gestreut und verschluckt wird. Den durchgedrungenen Rest fängt ein Sensor auf, und ein Computer setzt aus den Daten ein Bild zusammen – ähnlich wie die Bodenstation aus Signalen der Satelliten ein Bild der Wetterlage erzeugt.

Es ist kaum vorstellbar, in welch winzigen Dimensionen sich diese Forschung bewegt. Die Sonde des Rastertunnelmikroskops besteht aus einem dünnen Wolframdraht. Dessen Ende ist zu einer feinen, etwa einen halben Millimeter langen Spitze ausgezogen. Um sich vorzustellen, wie spitz diese Spitze tatsächlich ist, muss man sie in Gedanken fünf Millionen mal vergrössern: Sie ist dann so gross wie das Matterhorn – zweieinhalb Kilometer von Zermatt bis zum Gipfel. Irgendwo befindet sich die höchste Stelle des Gipfels; dort ragt ein Nagel empor, dessen Spitze sich in Bruchteilen von Millimetern an ein Sandkorn herantastet. Die Grösse des Sandkorns, etwas mehr als ein halber Millimeter, entspricht dem zu untersuchenden Atom. Der Nagel entspricht der feinsten Spitze, die man sich nur denken kann: An ihrem äussersten Ende sitzt ein einziges Wolfram-Atom!

Natürlich kann keine Schleifmaschine fein genug sein, eine solche Spitze herzustellen. Doch Binnig und Rohrer fanden das Rezept: Man nehme einen feinen Wolframdraht, ätze das Ende mit Säure an, bis es schon sehr spitz ausläuft. Dann gebe man es in eine Vakuumkammer beschiesse es von vorn mit Ionen, das heisst elektrisch geladenen Teilchen. Diese tragen, ähnlich wie beim Sandstrahlen, das Material ab. Dabei entstehen mehrere ultrafeine Spitzen; eine davon ist die vorderste und dient als Sonde des Rastertunnelmikroskops.

Dieses Gerät ist nicht nur ein Messinstrument, sondern auch ein Werkzeug für Manipulationen in der Welt des Kleinsten. Was man bisher damit anfangen kann, sieht vorläufig noch wie zwecklose Spielerei aus: der Schriftzug IBM, geformt aus 35 exakt plazierten Atomen des Edelgases Xenon, oder ein Zählrahmen mit winzigen fussballförmigen Kügelchen aus je 60 Kohlenstoffatomen, von der Spitze des Rastertunnelmikroskops in einer um ein Kupfer-Atom vertieften Rille hin- und hergeschoben – siehe Abschluss der Bildreihe auf Seite 13. Doch was heute spielerisch erprobt wird, kann die technische Wirklichkeit von morgen sein: neue Verbundmaterialien mit bisher ungeahnten Eigenschaften, eine Medizin, die auf der Ebene von Genen und Molekülen gezielt in Krankheitsprozesse eingreifen kann...

Auch die Computer werden im gleichen Tempo wie seit Jahrzehnten kleiner und leistungsfähiger werden. «Die physikalischen Grenzen sind längst nicht erreicht», meint der Physiker Rohrer: «Computer können noch mindestens zehn mal kleiner werden als bisher. Die Grenzen liegen nicht in der Physik, sondern in der Wirtschaftlichkeit. Im Prinzip könnte man solche Computer-Chips heute schon bauen. Doch mit den heutigen Verfahren hätte man Monate bis Jahre, um so einen Chip herzustellen.» Neue, wirtschaftliche technische Verfahren sind also gefordert, und zwar in kleinsten Dimensionen. Keine Frage, das Rastertunnelmikroskop wird dabei eine entscheidende Rolle spielen. Wird es dank dieser Technik einmal einen Computer geben, der so klein ist wie eine Armbanduhr, die menschliche Sprache versteht und mehr leistet als ein heutiger PC? «Das ist durchaus denkbar», meint Rohrer. «Der springende Punkt ist nur, ob wir dann nicht vielleicht ganz andere Dinge haben wollen als Computer am Handgelenk.»

© Christian Bachmann

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