19.01.2015

Universität Basel

Nano-Messbecher erlauben Einblick in die Kondensation von Atomen

Die Kondensation von einzelnen Atomen, also ihren Übergang vom gasförmigen in einen andern Zustand, abzubilden – dies ist einem internationalen Physikerteam mit einer neuen Methode gelungen. Unter Leitung des Swiss Nanoscience Institute und des Departements Physik der Universität Basel konnte es erstmals nachverfolgen, wie Xenon-Atome in winzigen Messbechern, sogenannten Quantentöpfen, kondensieren. Damit werden wichtige Rückschlüsse auf die Natur von Bindungen zwischen Atomen möglich, berichten die Forscher in "Nature Communications".

Das Team um Prof. Thomas Jung vom Swiss Nanoscience Institute, Departement Physik der Universität Basel und Paul-Scherrer-Institut hat eine Methode entwickelt, mit der sich die Kondensation von einzelnen Atomen erstmals Schritt für Schritt abbilden lässt. Die Forschenden liessen Atome des Edelgases Xenon in sogenannten Quantentöpfen kondensieren und untersuchten die entstehenden Ansammlungen darauf mithilfe der Rastertunnelmikroskopie.

Quantentöpfe als Messbecher
Die verwendeten Quantentöpfe entstehen jeweils durch Selbstorganisation von spezifisch «programmierten» Molekülen zu einem porösen Netzwerk auf einer Substratoberfläche. Sie dienen als Messbecher mit genau definierter Grösse, Form und atomarer Struktur des Bodens und der Wände. In den Quantentöpfen ist die Bewegungsfreiheit der Atome eingeschränkt, und ihre Anordnung lässt sich je nach Besetzung genau untersuchen und darstellen.

So konnten die Wissenschaftler zeigen, dass sich die Xenon-Atome immer nach einem bestimmten Prinzip anordnen. Beispielsweise bilden sich gewisse Einheiten aus vier Atomen erst, wenn sich mindestens sieben Atome im Quantentopf befinden. Befinden sich zwölf Atome in dem Quantentopf, entstehen drei sehr stabile Vierereinheiten.

Rückschlüsse auf die Natur von Bindungen
Die an den Nanokondensaten zum ersten Mal erfassten Bilder und Strukturen erlauben wichtige Rückschlüsse auf die Natur der physikalischen Bindungen, welche die Xenon-Atome eingehen. «Wir können dieses System aber nicht nur für Edelgase einsetzen», kommentiert die Erstautorin der Publikation, Sylwia Nowakowska. «Auch andere Atome und ihre Bindungen kann man damit untersuchen.» Da die Methode genau abbildet, wie sich die Atome aneinander binden und wie stabil die verschiedenen Zustände sind, lassen sich mit der neu entwickelten Methode auch theoretische Berechnungen über Bindungen überprüfen.

Die Ergebnisse der Studie basieren auf einer Zusammenarbeit von Forschenden aus der Schweiz, Brasilien, Schweden, Deutschland und den Niederlanden und wurden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift «Nature Communications» veröffentlicht.

Literatur:
Sylwia Nowakowska, Aneliia Wäckerlin, Shigeki Kawai, Toni Ivas, Jan Nowakowski, Shadi Fatayer, Christian Wäckerlin, Thomas Nijs, Ernst Meyer, Jonas Björk, Meike Stöhr, Lutz H. Gade & Thomas A. Jung
Interplay of weak interactions in the atom-by-atom condensation of xenon within quantum boxes, Nature Communications 2015, DOI: 10.1038/ncomms7071