Die "Spinner" der Nanophysik

Vier Kammern und 19 Pumpen: Masterstudent Fabian Schöttke (von links),     Marku

Vier Kammern und 19 Pumpen: Masterstudent Fabian Schöttke (von links), Markus Donath und Doktorand Philipp Eickholt erforschen mit der Vakuummaschine Spin-Phänomene, die Eigendrehimpulse von Elektronen. © WWU - Peter Leßmann

Die gelben Aufkleber sind schon von Weitem zu sehen: "Laserstrahl", "Hochspannung - Lebensgefahr", "Zutritt für Unbefugte verboten" ist darauf zu lesen. Die verschlossene Tür mit den Warnhinweisen befindet sich am Ende eines langen, dunklen Flurs im vierten Stock des Physikalischen Instituts der WWU. In dem Labor steht eine Vakuummaschine. Was für Laien wie ein großes Monstrum aussieht, ist für die Arbeitsgruppe von Markus Donath die Grundlage für die Untersuchung des Spins, des Eigendrehimpulses von Elektronen.

"Diese Apparatur gibt es nur einmal auf der Welt. Wir ergründen damit die Geheimnisse von Spin-Phänomenen für neue elektronische Bauelemente", erklärt Markus Donath. Anhand modernster spektroskopischer Verfahren bearbeiten die Physiker der Universität Münster die Oberflächen von verschiedenen Materialien wie Ferromagnete oder graphenartige Schichtmaterialien. Damit Datenspeicher beispielsweise für Computer zukünftig energiesparender gebaut sowie deren Datendichte und die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung erhöht werden können, führt kein Weg an der Nanophysik vorbei. Neben der elektrischen Ladung möchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für eine effizientere Elektronik auch den Spin als Informationsträger nutzen. Und dafür benötigen sie die Vakuummaschine.

"Bei dieser Arbeit braucht man häufig einen langen Atem."

Sie besteht aus vier Kammern und 19 Pumpen. Mehrere unter der Decke hängende Baumarktleitern werden als Kabelschächte für Wasserschläuche zur Kühlung oder für die unzähligen Stromkabel verwendet. Ein Bierfass aus Edelstahl dient als Vakuumreservoir. Im Inneren der Maschine herrscht ein Unterdruck wie im Weltall. Die Pumpen laufen während der Messreihen ohne Unterbrechung. Es surrt und brummt permanent im Raum. "So eine Apparatur ist nie fertig. Wir ersetzen immer wieder Teile. Außerdem bauen wir die Maschine um und entwickeln sie ständig weiter", beschreibt Markus Donath die Laborarbeit. Die Grundteile wurden im Jahr 2002 angeschafft und dann individuell aufgerüstet. Zahlreiche Teile sind in der Feinmechanischen Werkstatt des Physikalischen Instituts speziell angefertigt worden. Die gläserne Tür mit den gelben Warnaufklebern und einem lichtundurchlässigen Vorhang dahinter ist aus mehreren Gründen immer abgeschlossen: Zum einen wird unsichtbares Laserlicht verwendet, das für die Augen gefährlich ist. Zum anderen sorgt elektrische Hochspannung für Lebensgefahr. In dem Labor befinden sich außerdem ultrakalte Gase wie Stickstoff, die bei falschem Gebrauch Verletzungen verursachen. Und nicht zuletzt können Erschütterungen beim Betreten des Raums die Messungen beeinflussen. Auch dürfen die Geräteeinstellungen für eine Versuchsreihe nicht verstellt werden. Deshalb ist die Vakuummaschine unter Verschluss.

Für die verschiedenen Messreihen werden die zu untersuchenden Materialproben zunächst Atom für Atom gesäubert und geordnet. Denn zur Herstellung von kleinen Strukturen benötigen die Forscher ultrareine Bedingungen. Mittels langer Stangen, die als Greifarme dienen, erfolgt die Verschiebung der Proben von einer in die andere Kammer. Der nächste Arbeitsschritt ist die Überprüfung des Materials. Dazu wird die Oberfläche auf atomarer Ebene mit einer ultraspitzen Nadel abgetastet. Im Herzstück der Vakuumapparatur findet die von den münsterschen Nanophysikern ausgeklügelte Untersuchung der Eigenschaften der Elektronen und des Spins statt. Die Dauer einer Messreihe variiert je nach Forschungsfrage zwischen mehreren Wochen und einem Jahr. Vier bis sechs Bachelorund Masterstudierende sowie Doktoranden können gleichzeitig an der Vakuummaschine arbeiten.

"Bei dieser Arbeit braucht man häufig einen langen Atem und muss zwischendurch auch leiden können. Aber bis jetzt hat am Ende immer alles geklappt", sagt Doktorand Philipp Eickholt. "Die Vakuumapparatur liefert gute Ergebnisse und ist vielseitig verwendbar. Als Wissenschaftler möchten wir die Dinge genau verstehen und daher Messunsicherheiten möglichst klein halten", ergänzt Markus Donath. Aufgrund des Forschungsgebiets der Spinelektronik bezeichnen sich Markus Donath und sein Team häufig als die "Spinner" - natürlich mit einem Augenzwinkern versehen.