Ringelreih mit Xenon

  • 23. January 2015

Quantentöpfe dienen als Nano-Messbecher, in denen sich Bindungen kondensierter Xenon-Atome studieren lassen.

Die Kondensation von einzelnen Atomen, also ihren Übergang vom gasförmigen in einen andern Zustand, abzubilden – dies ist einem internationalen Physikerteam mit einer neuen Methode gelungen. Unter Leitung des Swiss Nanoscience Institute und des Departements Physik der Universität Basel konnte es erstmals nachverfolgen, wie Xenon-Atome in winzigen Messbechern, sogenannten Quantentöpfen, kondensieren. Damit werden wichtige Rückschlüsse auf die Natur von Bindungen zwischen Atomen möglich.

Abb.: Untersuchung der Kondensation von Xenon: Dargestellt sind in Rastertunnelmikroskopie drei verschiedene Quantentöpfe, die ein, zwei und zwölf Xenon-Atome enthalten. (Bild: S. Nowakowska et al.)

Abb.: Untersuchung der Kondensation von Xenon: Dargestellt sind in Rastertunnelmikroskopie drei verschiedene Quantentöpfe, die ein, zwei und zwölf Xenon-Atome enthalten. (Bild: S. Nowakowska et al.)

Das Team um Thomas Jung vom Swiss Nanoscience Institute, Departement Physik der Universität Basel und Paul-Scherrer-Institut hat eine Methode entwickelt, mit der sich die Kondensation von einzelnen Atomen erstmals Schritt für Schritt abbilden lässt. Die Forscher ließen Atome des Edelgases Xenon in sogenannten Quantentöpfen kondensieren und untersuchten die entstehenden Ansammlungen darauf mithilfe der Rastertunnelmikroskopie.

Die verwendeten Quantentöpfe entstehen jeweils durch Selbstorganisation von spezifisch „programmierten“ Molekülen zu einem porösen Netzwerk auf einer Substratoberfläche. Sie dienen als Messbecher mit genau definierter Größe, Form und atomarer Struktur des Bodens und der Wände. In den Quantentöpfen ist die Bewegungsfreiheit der Atome eingeschränkt, und ihre Anordnung lässt sich je nach Besetzung genau untersuchen und darstellen.

So konnten die Wissenschaftler zeigen, dass sich die Xenon-Atome immer nach einem bestimmten Prinzip anordnen. Beispielsweise bilden sich gewisse Einheiten aus vier Atomen erst, wenn sich mindestens sieben Atome im Quantentopf befinden. Befinden sich zwölf Atome in dem Quantentopf, entstehen drei sehr stabile Vierereinheiten.

Die an den Nanokondensaten zum ersten Mal erfassten Bilder und Strukturen erlauben wichtige Rückschlüsse auf die Natur der physikalischen Bindungen, welche die Xenon-Atome eingehen. „Wir können dieses System aber nicht nur für Edelgase einsetzen“, kommentiert die Erstautorin der Publikation, Sylwia Nowakowska. „Auch andere Atome und ihre Bindungen kann man damit untersuchen.“ Da die Methode genau abbildet, wie sich die Atome aneinander binden und wie stabil die verschiedenen Zustände sind, lassen sich mit der neu entwickelten Methode auch theoretische Berechnungen über Bindungen überprüfen.

U. Basel / DE

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