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Univ.-Prof. DI Dr. Stefan Müllegger

Stefan Müllegger: Single-Atom Radio Frequency Fingerprinting 

Fingerabdruck von Atomen

Bereits seit einigen Jahrzehnten können PhysikerInnen mit Hilfe spezieller Rastertunnelmikroskopie (STMs) Materie so weit auflösen, dass einzelne Atome sichtbar gemacht und fotografiert werden können, und es ist sogar möglich, gleichzeitig mit einem feinen Metalldraht einzelne Moleküle zu versetzen und somit die Materie zu manipulieren. Was noch fehlt und woran Assoz.Univ.-Prof. Dr. Stefan Müllegger arbeitet, ist die chemische Identifikation einzelner Atome und Bindungen in Einzelmolekülen anhand bestimmter Eigenschaften, also ein Fingerabdruck für jedes Atom.

Projektdetails

Advanced Projekt

Projektleitung

Stefan Müllegger

Call

1/2016

Gehen wir von einem „atomar reinen“ Substrat aus, also von Materie in einem Vakuum, wie es im erdnahen Weltraum herrscht, sodass die Materie kaum verschmutzt werden kann. Das Substrat kann aus unterschiedlichen Atomen bestehen. Ein herkömmliches Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop (LT-STM) kann die Oberflächenatome mit einem Metalldraht abbilden, dessen Ende die Form einer scharfen Spitze hat. Aber es kann die Atome unterschiedlicher chemischer Elemente nicht eindeutig unterschieden. „Wir möchten diesem LT-STM nun eine weitere Fähigkeit hinzufügen“, sagt Müllegger. „Die Spitze des Metalldrahts soll beim Abtasten der Oberfläche charakteristische Signale für jedes einzelne Atom aufzeichnen und damit ermöglichen, einzelne Atome unterschiedlicher Elemente zu identifizieren.“

Zu diesem Zweck hat Müllegger ein kommerzielles LT-STM-Gerät um einen Hochfrequenzgenerator erweitert. Über diesen wird Wechselspannung angelegt und in der Folge die Leitfähigkeit der einzelnen Atome gemessen. „Es zeigt sich, dass in den Messkurvn die Peaks bei Atomen desselben chemischen Elements immer an der gleichen Stelle auftreten“, sagt Müllegger. Damit können die Atome unterschiedlicher chemischer Elemente eindeutig identifiziert werden.

Zudem können die Atome zu magnetischen oder mechanischen Schwingungen angeregt werden, die ebenfalls zur Identifizierung dienen, da jede Substanz vorzugsweise bei bestimmten Frequenzen schwingt.

Ziel Mülleggers ist, einen Fingerabdruck für Einzelatome möglichst vieler chemischer Elemente zu erstellen, sodass künftig eine eindeutige Identifizierung einzelner Atome möglich ist.

Auch wenn sich diese Forschung derzeit im Grundlagenbereich bewegt, gibt es dafür zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten: von der Strukturaufklärung von Molekülen über die Fehlersuche und Quantenkontrolle bei spintronischen und elektronischen Bauteilen bis hin zum Quantencomputing, wo auf Spins basierende Quantenbits ausgelesen werden könnten.

Assoz.Univ.-Prof. Dr. Stefan Müllegger

Assoz.Univ.-Prof. Dr. Stefan Müllegger forscht und lehrt seit 2007 an der Abteilung für Festkörperphysik am Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik der JKU.

Nachdem sein Interesse für Physik bereits am Gymnasium in Bad Ischl geweckt worden war, studierte er Technische Physik an der TU Graz und sammelte auch Erfahrung in der Privatwirtschaft.

„Mir hat es immer schon gefallen, in einem Gebiet erste Schritte zu machen, etwas Neues aufzubauen. Alles, was danach kommt, geht in Richtung Produktentwicklung, das finde ich nicht mehr so spannend“, sagt Müllegger.

Mit dem weiteren Ausbau der Rastertunnelmikroskopie- (STM-)-Technik in eine Richtung, wo die chemische Identifizierung von einzelnen Atomen möglich wird, hat Müllegger bereits vor neun Jahren begonnen, und er war mit seiner Gruppe lange weltweit der Einzige, der in diesem Forschungsbereich tätig war. „Wir waren nur zwei, drei Leute, aber ahead of the field, und das ist schon etwas ganz Besonderes“, sagt er.

2013 glückte ihm mit seinem adaptierten Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskop das weltweit erste Single-Spin-Resonanz-Experiment an einem Einzelmolekül, über das er 2014 publizieren konnte.