16.10.2020

Neues EU-Projekt entwickelt hochsensible supraleitende Nano-Sensoren für Rastersondenmikroskopie

Wissenschaftler der Universität Tübingen sind an einem neuen EU-Projekt beteiligt: Im Forschungsverbund „FIBsuperProbes“ werden gemeinsam mit der Universität Basel, IBM Zürich und der Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (CSIC) in Saragossa höchstempfindliche supraleitende Sensoren für die Rastersondenmikroskopie entwickelt. Damit soll erstmals simultan die Abbildung der Topographie von Oberflächen mit der Abbildung von lokalen Magnetfeldern und elektrischen Strömen und von dissipativen Quellen auf der Nanometerskala ermöglicht werden. Diese neue Methode soll für die Erforschung neuartiger Materialien eingesetzt werden. Das Projekt ist Teil der „FET OPEN“-Förderung, die europäische Kooperationen bei der Entwicklung radikal neuer Technologien unterstützt und wird über eine Laufzeit von 3,5 Jahren mit 3 Millionen Euro finanziert. «Wir möchten eine neue Ära in der bereits sehr erfolgreichen Rastersondenmikroskopie einläuten», begeistert sich Prof. Martino Poggio von der Universität Basel, der das Projekt koordiniert.

Das Tübinger Team aus der Festkörperphysik, mit den Professoren Dieter Kölle, Reinhold Kleiner und Edward Goldobin, erforscht die Grundlagen von supraleitenden und magnetischen Bauelementen. Ein Schwerpunkt liegt in der Entwicklung von supraleitenden Quanteninterferenzdetektoren (SQUIDs) als ultrasensitive Sensoren für Magnetfelder. “Im Rahmen von „FIBsuperProbes“ wird unser Team extrem miniaturisierte „nanoSQUIDs“ direkt  an der Spitze von Cantilevern entwickeln. Hierbei  wird als zentrales Gerät das in der Core Facility LISA+ installierte Helium-Ionenmikroskop eingesetzt“, erklärt Dieter Kölle.

Die Forschenden setzen die Fokussierte-Ionenstrahl Technologie (FIB, für focused ion beam) ein, die eine enorme Flexibilität bietet. Mit FIB lässt sich zum einen Material abtragen, zum anderen aber auch Material aufbauen und strukturell verändern – und das im Nanometerbereich und bei ebenen wie bei unebenen Objekten. Die Integration der supraleitenden Sonden auf Cantilevern erlaubt eine Distanzkontrolle auf der Nanometerskala; dies ermöglicht die Abbildung physikalischer Eigenschaften von Probenoberflächen mit einer drastisch verbesserten räumlichen Auflösung und mit einer bislang nicht verfügbaren Kombination von Kontrastmechanismen. Zudem soll der Einsatz von Sonden aus Hochtemperatursupraleitern den verfügbaren Temperaturbereich stark ausdehnen. “Die neuen Sonden werden die Einsatzgebiete der Rastersondenmikroskopie erweitern. Wenig verstandene Phänomene in der Physik, der Chemie und den Materialwissenschaften, die sich mit heutigen Technologien nicht untersuchen lassen, werden wir damit angehen können“, erläutert Martino Poggio vorfreudig.

Der Fokus der Anwendungen liegt zunächst bei der Untersuchung von Magnetfeldern und dissipativen Effekten in zweidimensionalen Festkörpern. Die Forschenden sind vor allem daran interessiert, den elektrischen Transport von Ladungen und korrelierte elektronische Zustände abzubilden.

“Das Helium-Ionenmikroskop in LISA+ bietet uns unglaublich vielfältige Möglichkeiten, Festkörper mit bislang unerreichter Präzision bis hinab zur Sub-Nanometerskala zu modifizieren“, sagt Dieter Kölle. „Neben  dem FET-OPEN Projekt haben wir dieses  Jahr bereits drei weitere  DFG-Projekte gestartet, die ebenfalls das Helium-Ionenmikroskop nutzen – alles Projekte im Bereich der Supraleitungselektronik. Insgesamt haben wir damit etwa 1,5 Millionen Euro eingeworben, also etwa in dem Umfang der Anschaffungskosten  des Mikroskops. Damit hat sich diese Anschaffung bereits jetzt definitiv gelohnt.“ 

Dieter Kölle