Quanten-Duett mit zwei Atomen

Kollektive Quantenphänomene in Minimalversion: Stuttgarter Physiker untersuchen wie zwei Atome ihren elektronischen Zustand ändern, wenn ein Kobaltatom an der Spitze eines Rastertunnelmikroskops an ein zweites Kobaltatom auf einer Goldunterlage angenähert wird. Dabei wechseln die Atome vom sogenannten Kondo-Zustand, in dem der Magnetismus der Atome (blaue Pfeile) unterdrückt ist, in einen antiferromagnetischen Zustand.

Zwei Atome wechseln zwischen magnetischer Ordnung und nicht-magnetischem Kondo-Zustand

Mit zwei Atomen inszenieren Physiker jetzt ein außergewöhnliches elektronisches Schauspiel - für das sie gewöhnlich ein viel größeres Ensemble atomarer Darsteller brauchen. Ein internationales Team um Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart führt bei sehr tiefen Temperaturen ein Kobaltatom, das an der Spitze eines Rastertunnelmikroskops (RTM) haftet, an ein weiteres Kobaltatom auf einer Goldoberfläche. Kobaltatome besitzen magnetische Momente. Berühren sich die Atome, spüren sich die magnetischen Momente, und das atomare Duo verhält sich magnetisch. Bei einem größeren Abstand umgeben sich die magnetischen Momente mit den frei beweglichen Leitungselektronen an der Goldoberfläche und an der RTM-Spitze. Sie bilden dann ein Kondo-System, in dem sich die magnetischen Momente nicht wahrnehmen. Den Übergang von einem Zustand in den anderen in kleinstmöglicher Form zu studieren, hilft nicht nur den Magnetismus besser zu verstehen, sondern - so die Hoffnung - auch andere kollektive Phänomene wie die Hochtemperatur-Supraleitung.

Was in der Soziologie nicht weit führt, hilft Physikern sehr: Um das kollektive Verhalten von Menschenmassen zu verstehen, bringt es wenig zu beobachten, wie zwei Personen miteinander umgehen. Wenn Physiker kollektive Phänomene wie den Magnetismus besser verstehen wollen, lohnt sich der Blick auf zwei Atome dagegen sehr. Zum Beispiel auf zwei Kobaltatome. Diese besitzen ungepaarte Elektronen und tragen wegen der Eigendrehung dieser einzelnen Elektronen, von Physikern Spin genannt, magnetische Momente. „In Experimenten mit zwei einzelnen Atomen können wir kollektive elektronische Phänomene in ihrer elementarsten Form studieren“, sagt Klaus Kern, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. Genau das hat er gemeinsam mit einem Team um den Forschungsgruppenleiter Peter Wahl nun gemacht.

„Wir haben beobachtet, wie sich die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von zwei einzelnen Kobaltatomen ändern, wenn sie sich einander nähern“, sagt Peter Wahl. Eine ausgesprochen diffizile Angelegenheit. Schließlich sind Kobaltatome so winzig, dass zwischen zwei Millimeter-Strichen eines Lineals rund sieben Millionen von ihnen Platz fänden. Also dampften die Forscher in einer Vakuumkammer zunächst ein wenig Kobalt auf eine Goldoberfläche und suchten das Gold mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops (RTM) anschließend nach einem günstig gelegenen einzelnen Kobaltatom ab. Das pickten sie mit der Spitze von der Oberfläche, wie man mit dem Finger einen Papierschnipsel von einem Tisch aufnimmt. Nun steuerten sie die Spitze mit dem haftenden Atom möglichst präzise über ein weiteres Kobaltteilchen. Dort senkten sie die Spitze allmählich ab und maßen für über 50 Positionen die Leitfähigkeit zwischen den beiden Atomen.

Wieviel Strom zwischen den beiden Atomen fließt, hängt entscheidend von den elektronischen und magnetischen Wechselwirkungen zwischen diesen ab. Dafür ist wiederum das komplizierte Zusammenspiel verschiedener Elektronen ausschlaggebend: jener, die in dem Metall relativ ungehindert hin und her flitzen und so den Strom transportieren, und jener Elektronen, die weniger beweglich sind und magnetische Momente tragen.