Quantenhologramme zeigen kleinste Buchstaben der Welt

Dreimal kleiner als die bisherigen Weltrekordhalter sind lesbare Buchstaben aus Kohlenmonoxid-Molekülen – die als Quantenhologramm indirekt lesbar sind

Weltkleinste Buchstaben
Weltkleinste Buchstaben

Stanford (USA) - Ein 'S' und ein 'U' sind derzeit die kleinsten je vom Menschen dargestellten Buchstaben. Mit nur einem Nanometer (Millionstel Millimeter) Höhe und 0,3 Nanometern Linienbreite sind sie nur mithilfe eines Rastertunnelmikroskops zu lesen, und auch dies nur indirekt. Die Buchstaben sind als Quanten-Hologramm verewigt, das die Information in den Raum projiziert. US-Physiker schlugen damit den bisherigen Rekord japanischer Forscher, die 1,5 Nanometer große Buchstaben in einen Kristall eingraviert hatten. Jener Wert erreichte die vermutete Minimalgrenze, vorgegeben durch den notwendigen Abstand der Atome zueinander. Doch mit einem Trick überschritten die US-Forscher diese Grenze: Sie arrangierten ihre Atome so, dass Quantenreflexionen daran ein holographisches Bild mit noch kleinerer Auflösung erzeugten. Eine praktische Anwendung liegt allerdings noch weit in der Zukunft. Eines Tages könnte die Methode helfen, Informationsbits auf Datenspeichern dichter zu packen.

"Wir zeigen, dass es möglich ist, das festgelegte Limit zu erweitern, mit einer holographischen Methode, die auf Wellenfunktionen der Elektronen basiert, nicht auf optischen Wellen", schreibt das Team um Christopher Moon und Hari Manoharan von der Stanford University im Fachblatt "Nature Nanotechnology". Die Physiker variierten eine Technik, mit deren Hilfe zwei IBM-Forscher im Jahr 1989 eine Reihe Xenon-Atome auf Nickel so positioniert hatten, dass sie in 5 Nanometer großen Buchstaben den Firmennamen darstellten. Ein Jahr später hatten Physiker der japanischen Firma Hitachi den Größenrekord auf 1,5 Nanometer gesenkt, indem sie Buchstaben in einen Molybdän-Disulphid-Kristall gravierten. Moons Team wiederum variierte die ursprüngliche IBM-Technik für noch kleinere Buchstabengrößen. Sie nutzten ebenfalls das Rastertunnelmikroskop, um einzelne Kohlenmonoxid-Atome auf einer Kupferoberfläche anzuordnen. Allerdings bildeten sie diesmal nicht die Buchstaben selbst nach, sondern ein komplizierteres Muster mit zentraler Lücke, die Basis für ein Hologramm.

Sandten sie dann einen Elektronenfluss durch das Kupfer, so erzeugte das Muster über die Quanteneigenschaften des Materials eine Art Oberflächenwelle, welche sich wie Wellen auf dem Wasser fortbewegte. Trafen diese auf die Kohlenmonoxid-Moleküle, die quasi wie Felsen aus dem 'Wasser' aufragten, kam es zu Reflexionen und Interferenzen, die ein holographisches Abbild in die mittige Lücke projizierten. Die Form des Molekülmusters und der zentralen Lücke bestimmte letztendlich die Form des Hologramms - in diesem Fall ein 'S' bzw. ein 'U' sowie eine 'SU'-Kombination. Betrachten lässt sich das Ergebnis wiederum nur, relativ zeitaufwändig, durch Abtasten per Rastertunnelmikroskop. Eine passend entwickelte Software berechnet die Anordnung der Moleküle für eine gewünschte Form des Hologramms. Obendrein, so das Team, könne auch die Veränderung der Elektronenenergie aus ein und derselben Atom-Anordnung unterschiedliche Hologrammformen erzeugen. Mit ihrer Methode erreichten die Forscher eine Informationsdichte von mehr als 20 Bits pro Quadratnanometer, mehr als das Doppelte bisheriger Methoden. Allerdings gilt dieser Wert nur, wenn die Fläche der umgebenden Kohlenmonoxidmoleküle nicht mitgerechnet wird.