Wie macht man Atome sichtbar?

Zum Beispiel mit Rastertunnelmikroskopie, mit der sogar einzelne Atome »gesehen« werden können. Das Rastertunnelmikroskop (STM, für englisch Scanning Tunneling Microscope) wurde Anfang der 1980er Jahre vom schweizerisch-deutschen Physikerteam um Gerd Karl Binnig und Heinrich Rohrer erfunden. 1987 wurden diese beiden dafür mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Das Messprinzip nutzt den quantenmechanischen »Tunneleffekt«. Dieser Effekt beruht darauf, dass sich ein quantenmechanisches Teilchen, z. B. ein Elektron, niemals an einem ganz bestimmten Ort befindet; statt dessen kann man immer nur eine Wahrscheinlichkeit für den Raumbereich angeben, in dem es sich aufhält. Das bedeutet aber, dass Elektronen über weite Bereiche »verschmiert« sind – mit der Konsequenz, dass sie sogar »verbotene« Gebiete durchqueren können, um auf der anderen Seite wieder aufzutauchen: Sie »durchtunneln« diese Region.

Im Tunnelmikroskop durchtunneln die Elektronen den winzigen Abstand zwischen einer nur wenige Atome großen Sondenspitze und der Oberfläche der untersuchten Probe. Dabei entsteht ein sehr kleiner, aber messbarer Strom. Tastet man die Oberfläche mit der Sonde Punkt für Punkt ab, so lässt sich aus den gemessenen Stromwerten ein Abbild der Oberfläche rekonstruieren.

Übrigens: Das Rastertunnelmikroskop erlaubt es auch, einzelne Atome oder Moleküle gezielt aus der Probenoberfläche zu lösen und an anderer Stelle wieder abzulegen – man kann also mit Atomen »schreiben« oder winzigste Strukturen erzeugen.