Meilenstein auf dem Weg zur Nanokonstruktion

synaix Newsletter Ausgabe 03 / 2008 vom 05.03.2008

Wissenschaftlern von IBM und der Universität Regensburg ist es erstmals gelungen, die exakte Kraft zu messen, die benötigt wird, um ein einzelnes Atom auf einer Oberfläche zu bewegen. Damit haben die IBM-Forscher einen wissenschaftlichen Durchbruch erzielt, der wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung von Nanobauelementen und Nanoelektronik liefert – etwa für künftige Computerchips oder miniaturisierte Speicher.

In dem gleichen Labor am IBM Almaden Research Center in Kalifornien, in dem vor 20 Jahren der erste Schritt zur Konstruktion von Nanostrukturen gelang, hat eine neue Generation von Wissenschaftlern zusammen mit Kollegen der Universität Regensburg die außergewöhnliche Leistung vollbracht, die verschwindend geringen Kräfte zu messen, die es braucht, um Atome auf Oberflächen zu bewegen.

Das Verständnis der Kräfte, die benötigt werden, um spezifische Atome auf ausgewählten Oberflächen zu bewegen, ist eine wichtige Grundlage, um Nanostrukturen konstruieren zu können – vergleichbar mit der Entwicklung des modernen Bauingenieurwesens vor vielen Jahrzehnten: Für den Bau von modernen, technisch gewagten Brückenkonstruktionen mussten Ingenieure zunächst genaue Kenntnisse über Materialeigenschaften, auftretende Kräfte und deren Zusammenspiel gewinnen.

"Unsere Ergebnisse liefern grundlegende Erkenntnisse für die Fertigung von Nanostrukturen und könnten den Weg für neue Speichertechnologien ebnen", sagt Andreas Heinrich, leitender Forscher im Rastertunnelmikroskopie-Labor am kalifornischen IBM Forschungszentrum. Er ergänzt: "Wir möchten die Grundlagen für die Zukunft der IT schaffen – für jene Unternehmung, die eines Tages "IBM Nanokonstruktion" genannt werden könnte."

Die Forscher zeigen in ihrer wissenschaftlichen Veröffentlichung, dass die Kraft, die benötigt wird um ein Kobaltatom auf einer flachen Platinoberfläche zu bewegen, exakt 210 Pikonewton beträgt. Wenn jedoch ein Kobaltatom auf einer Kupferoberfläche bewegt werden soll, sind lediglich 17 Pikonewton nötig. Im Vergleich hierzu beträgt die Kraft, um eine 2 Eurocent-Münze mit einem Gewicht von 3 Gramm anzuheben, 30 Milliarden Pikonewton und ist somit fast 2 Milliarden Mal größer als die Kraft, die erforderlich ist, um ein einzelnes Kobaltatom auf einer Kupferoberfläche zu verschieben.

Die Erkenntnisse der Forscher schaffen ein tiefgehendes Verständnis hinsichtlich der Vorgänge auf der atomaren Ebene und geben damit entscheidende Impulse für Innovationen in der Nanotechnologie, zum Beispiel in der Entwicklung kleinster medizinischer Geräte oder künftiger Computertechnologien.

Leistungssteigerungen in der Informationstechnologie basieren seit 40 Jahren auf der rasant fortschreitenden Miniaturisierung der Transistoren, der Grundbausteine eines Prozessors. Der Trend der alle zwei Jahre erzielten Verdoppelung der Anzahl Transistoren und somit der Leistung eines Computerchips ist allgemein bekannt als Moore’sches Gesetz. Durch die Miniaturisierung arbeiten die Transistoren schneller und verbrauchen weniger Energie, was die Leistungsfähigkeit steigert. Allmählich zeichnen sich jedoch die Grenzen der Miniaturisierung ab und die gesamte Industrie steht vor der Herausforderung, neue Chiparchitekturen und Herstellungsprozesse zu entwickeln, um weiterhin Leistungssteigerungen zu ermöglichen.

Transistoren bis zum ultimativen Limit zu verkleinern, d.h. sie bis auf einige Atome zu reduzieren, erfordert radikal neue Ansätze. Die Fähigkeit die Kraft zu messen, die benötigt wird, um ein Atom zu verschieben, eröffnet neue Möglichkeiten für die Konstruktion von Nanostrukturen und die Funktionsweise künftiger Bauelemente.

IBM darf sich mit Recht zu den Pionieren in der Nanotechnologie zählen und auch Deutschland hat dabei eine führende Rolle. Immerhin investiert Deutschland jährlich weit über eine Milliarde Euro in die Förderung der Nano- Forschung.