Nanophysik: Kraftmikroskop misst van-der-Waals-Dämpfung

Die van-der-Waals-Kraft wirkt zwischen allen mikroskopischen Objekten und wird messbar, wenn sie sich bis auf einige Milliardstel Meter (Nanometer) nahe kommen. In der Nanophysik - der Welt der Atome, Moleküle und Kolloidteilchen - spielt sie deshalb eine wichtige Rolle. Mit einem Kraftmikroskop haben Forscher der Universität Münster jetzt erstmals eine Art van-der-Waals-Dämpfung nachgewiesen: Ein subtiler Effekt, der beispielsweise bei der Wechselwirkung von Metallpartikeln mit einem Metallsubstrat auftre-ten kann (Phys. Rev. Lett. 83, 2402 (1999)). Während im Allgemeinen van-der-Waals-Kräfte konservativ sind, führt dieses Phänomen zu einem Energieverlust.

Wissenschaftler aus dem Arbeitskreis von Harald Fuchs brachten im Ultra-Hochvakuum eine metallbedampfte Kraftsonde dicht an eine Goldoberfläche heran. Bei Raumtemperatur schwingt der Messfühler des Kraftmikroskops - ein winziger Hebelarm mit feiner Sondenspitze - von sich aus, durch thermische Anregung, mit Amplituden von weniger als einem Nanometer. Im Experiment zeigte sich, dass die Schwingung des Kraftfühlers - das so genannte thermische Rauschen - gedämpft wurde, sobald die Tastspitze bis auf einige Nanometer der Metallprobe nahe kam. Die Dämpfung wird von Ladungsschwankungen hervorgerufen, die gekoppelt sind mit einem fluktuierenden elektromagnetischen Feld im Spalt zwischen Messsonde und Oberfläche. Bei geringem Abstand induziert das Wechselfeld in Tastspitze und Probe fluktuierende Ströme, die der Bewe-gung der Spitze folgen. Auf die Ströme wirkt ein elektrischer Widerstand und somit wird der Messspitze Energie entzogen, ohne dass sie mechanischen Kontakt zur Oberfläche hat und ob-wohl keine viskose Reibung auftritt. Die münsterschen Physiker konnten ihre Messdaten mit Hilfe eines analytischen Modells beschreiben. Dabei gingen Sie von einer brownschen Bewegung der Kraftsonde unter dem Einfluss des fluktuierenden Probenfeldes aus.

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