Wenn man ein­zelne Atome abbil­den will, darf das Mikro­skop nicht wackeln. Um das zu errei­chen ent­wi­ckelte die TU Wien eine Schwin­gungs­dämp­fung für höchste Bildqualität.

Es gehört zu den prä­zi­ses­ten Mess­ge­rä­ten, die es heute gibt : Im Hoch­leis­tungs­mi­kro­skop am Insti­tut für Ange­wandte Phy­sik der TU Wien erzeugt man Bil­der ein­zel­ner Atome, indem eine extrem feine Nadel­spitze über eine Ober­flä­che bewegt wird. Die Posi­tion die­ser Spitze muss dabei mit einer Prä­zi­sion im Bereich von Pico­me­tern kon­trol­liert wer­den, das sind Mil­li­ards­tel eines Mil­li­me­ters. „Es ist als müsste man eine Nadel mit der Länge des gesam­ten Erd­durch­mes­sers mit einer Prä­zi­sion im Mil­li­me­ter­be­reich steu­ern“, erklärt Michael Schmid vom Insti­tut für Ange­wandte Phy­sik der TU Wien.
Jede Art von Vibra­tion kann das Mess­ergeb­nis unbrauch­bar machen, es ist ent­spre­chend eine große tech­ni­sche Her­aus­for­de­rung aus einem sol­chen Mikro­skop die opti­male Leis­tung her­aus­zu­ho­len. An der TU Wien gelang das mit Hilfe einer spe­zi­el­len Vor­rich­tung, die selbst Schwin­gun­gen mit sehr nied­ri­ger Fre­quenz fast voll­stän­dig dämpft. Das ganze Mikro­skop wurde auf Bun­gee-Sei­len auf­ge­hängt, eine elek­tro­ni­sche Steue­rung jus­tiert die Auf­hän­gung stän­dig nach, um das Gerät gerade zu hal­ten. Diese neu­ent­wi­ckelte Schwin­gungs­dämp­fung wurde nun patentiert. 

Zwei Mil­li­me­ter Abstand zum Boden
Gelöst wurde das Schwin­gungs­pro­blem, indem man das ganze Mikro­skop an die Decke hängt, und das an Bun­geesei­len, deren elas­ti­sche Eigen­schaf­ten beson­ders gut geeig­net sind, soge­nannte nie­der­fre­quente Schwin­gun­gen zu dämp­fen. Sie wur­den in einer spe­zi­el­len, ver­win­kel­ten Anord­nung befes­tigt, um ver­schie­dene Schwin­gungs­rich­tun­gen gleich­zei­tig dämp­fen zu kön­nen. Die Vor­rich­tung schwebt dabei etwa zwei Mil­li­me­ter über dem Boden, wo wie­derum Abstands­sen­so­ren ange­bracht sind.
Ändert sich der Abstand, wird auto­ma­tisch nach­jus­tiert, indem einer von drei ver­schie­de­nen Elek­tro­mo­to­ren an zusätz­li­chen Bun­gee-Sei­len zieht. „Das ist wich­tig, weil es wäh­rend der Expe­ri­mente zu Gewichts­ver­la­ge­run­gen kommt“, erklärt Michael Schmid. „Wir ver­wen­den flüs­si­gen Stick­stoff, um unsere Pro­ben zu küh­len. Der Stick­stoff­vor­rat befin­det sich direkt am Mikro­skop, wenn er ver­dampft, wird er leich­ter – die Gesamt­kon­struk­tion muss aber exakt hori­zon­tal bleiben.“

Spe­zi­elle ört­li­che Rahmenbedingungen
Mit die­ser Spe­zi­al­auf­hän­gung gelang es schließ­lich, die Mög­lich­kei­ten des Hoch­leis­tungs­mi­kro­skops voll aus­zu­nüt­zen – trotz des auf den ers­ten Blick ungüns­ti­gen Stand­or­tes. „Wir hät­ten sonst in ein ande­res Gebäude aus­wei­chen müs­sen, aber das hätte wie­derum andere Nach­teile mit sich gebracht“, sagt Ulrike Die­bold. Sie wurde 2013 mit dem Witt­gen­stein-Preis aus­ge­zeich­net, und ein Teil des Preis­gel­des wurde in die Anschaf­fung eines beson­ders leis­tungs­fä­hi­gen Mikro­skops inves­tiert, das Ras­ter­tun­nel­mi­kro­sko­pie mit Ras­ter­kraft­mi­kro­sko­pie verbindet.
„Anderswo hät­ten wir kei­nen so leich­ten Zugang zu flüs­si­gem Stick­stoff und flüs­si­gem Helium. Die Infra­struk­tur für unsere Mes­sun­gen ist eben genau hier im Frei­haus der TU Wien mit­ten in der Stadt opti­mal, wo aber eben die Vibra­ti­ons­ver­hält­nisse alles andere als opti­mal sind“, erläu­tert Die­bold. Mit der spe­zi­el­len Vibra­ti­ons­dämp­fung wur­den bereits zahl­rei­che wis­sen­schaft­li­che Mes­sun­gen erfolg­reich durch­ge­führt und dadurch auch meh­rere wis­sen­schaft­li­che Publi­ka­tio­nen ermög­licht. Nun wurde die Erfin­dung in Öster­reich paten­tiert und zudem auch eine inter­na­tio­nale Anmel­dung durch­ge­führt. „Wir hof­fen natür­lich, dass auch andere Insti­tu­tio­nen unsere Idee auf­grei­fen und eben­falls ihre Ergeb­nisse so dras­tisch ver­bes­sern kön­nen wie wir“, ergänzt Michael Schmid.