Superatome als neuartiger Werkstoff?

  • 16. September 2013

Atomcluster zeigen im Stern-Gerlach-Versuch Verhalten wie ein einzelnes Atom.

Physikochemiker der TU Darmstadt haben an einem aus mehreren Atomen zusammengesetzten Objekt, einem Cluster, erstmals magnetisches Verhalten beobachtet, wie es sonst nur einzelne Atome zeigen. Mit diesen Superatomen, besonders stabilen Cluster, könnten in der Nanotechnologie neuartige Materialien hergestellt werden, etwa für magnetische Datenspeicher oder leistungsstärkere Computerchips.

Im Superatom ist ein Mangan-Atom von zwölf Zinn-Atomen umgeben

Abb.: Je ein Mangan-Atom und zwölf umgebende Zinn-Atome bilden die Cluster (links oben). Die Quelle (links unten) erzeugt sie und der Stern-Gerlach Magnet spaltet den sich bildenden Strahl auf, was eine bewegliche Blende im Massen-Spektrometer (rechts oben) nachweist. (Bild: AK Schäfer, TU Darmstadt)

Urban Rohrmann und Rolf Schäfer vom Eduard-Zintl-Institut der TU Darmstadt nutzten dafür ein physikalisches Experiment, das die Physiker Otto Stern und Walther Gerlach vor gut 90 Jahren in Frankfurt durchgeführt haben. Beim ursprünglichen Stern-Gerlach-Versuch wurde ein Strahl aus Silberatomen durch ein ungleichmäßiges Magnetfeld geführt, in dem die Atome unterschiedlich abgelenkt werden, je nachdem in welche Richtung ihr eigenes Magnetfeld zeigt. Aufgrund der Regeln der Quantenphysik kann das Magnetfeld der Silberatome nur in zwei Richtungen zeigen, weshalb der Stern-Gerlach-Versuch einen Strahl aus Silberatomen in zwei Richtungen aufspaltet.

Eine derartige Aufspaltung sahen die Darmstädter Chemiker für einen Strahl aus den von ihnen untersuchten Superatomen. Diese bestanden je aus einem Mangan-Atom, das im Zentrum eines Käfigs aus zwölf Zinn-Atomen eingebettet ist. Dieser Cluster ist sehr symmetrisch: er besitzt die Form eines Ikosaeders – ein Objekt aus zwanzig gleichseitigen Dreiecken.

„Zwei Elektronen wandern vom Mangan zu den Zinnatomen. Die hohe Symmetrie bewirkt, dass die übrigen Elektronen des verbleibenden Manganions vom Zinnkäfig kaum etwas merken“, erklärt Rohrmann. Diese Konfiguration macht den gesamten Cluster in mancher Hinsicht einem einzelnen Mangan-Atom ähnlich. Auch der Magnetismus ähnelt deshalb dem eines einzelnen Atoms. Dadurch zeigt sich eindrucksvoll der Einfluss der besonderen Symmetrie des Clusters auf das magnetische Verhalten. Dank solchen Wissens könnten in der Nanotechnologie Materialien mit neuartigen, maßgeschneiderten Eigenschaften hergestellt werden – Materialien nach Design also.

Eine Herausforderung bei dem Experiment bestand darin, den Strahl der Superatome bei sehr niedrigen Temperaturen von 16 Kelvin zu erzeugen. Denn bei diesen Temperaturen vibriert der Cluster nur wenig. Ansonsten verliert er seine Symmetrie und damit sein atomähnliches Verhalten.

C. Meier / DE

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