Rastersondenmikroskopie mit ultrakalten Atomen

Abstract

Rastermikroskope werden in vielen Gebieten der Nanotechnolgie routinemäßig eingesetzt, um Oberflächen mit atomarer Auflösung zu untersuchen. In elektromagnetischen Potentialen gefangene ultrakalte atomare Gase können dazu verwendet werden, elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen Atomen und nahegelegenen Oberflächen in chip-basierten Anlagen zu untersuchen. Hier demonstrieren wir eine neue Art eines Rastersondenmikroskops, das diese beiden Forschungsbereiche verbindet, indem eine ultrakalte Atomwolke als Spitze eines Rastersondenmikroskops verwendet wird. Dieses Kaltatomrastersondenmikroskop bietet erstens ein großes Abtastvolumen, zweitens eine ultrasofte Spitze mit wohldefinierter Form und hoher Reinheit und drittens eine große Sensitivität gegenüber elektromagnetischen Kräften (einschließlich Dispersionskräften nahe nanostrukturierter Oberflächen). Wir verwenden das Kaltatomrastersondenmikroskop dazu, die Position und Höhe von Strukturen aus Kohlenstoffnanoröhren bzw. einzelnen, frei stehenden Nanoröhren zu bestimmen, und zwar zerstörungsfrei. Darüber hinaus kann die Auflösung dieses Mikroskops gesteigert werden, indem die verwendete Atomwolke bis zur Bose-Einstein-Kondensation gekühlt wird.

Scanning probe microscopes are widely used to study surfaces with atomic resolution in many areas of nanoscience. Ultracold atomic gases trapped in electromagnetic potentials can be used to study electromagnetic interactions between the atoms and nearby surfaces in chip-based systems. Here we demonstrate a new type of scanning probe microscope that combines these two areas of research by using an ultracold gas as the tip in a scanning probe microscope. This cold-atom scanning probe microscope offers a large scanning volume, an ultrasoft tip of well-defined shape and high purity, and sensitivity to electromagnetic forces (including dispersion forces near nanostructured surfaces). We use the cold-atom scanning probe microscope to non-destructively measure the position and height of carbon nanotube structures and individual free-standing nanotubes. Cooling the atoms in the gas to form a Bose–Einstein condensate increases the resolution of the device.