Eine Messlatte für Atome

News: Eine Messlatte für Atome

Um die Breite eines Fensterrahmens oder die Größe eines Kindes zu messen, ist ein gutes Metermaß hilfreich. Aber in atomaren Dimensionen sind präzise Messungen erheblich schwieriger. Jetzt haben Physiker ein neues 'Urmeter' für kleine Distanzen gefunden, das auf der Strahlung angeregter Eisenkerne basiert. Nach einigen Verbesserungen könnte daraus ein Standard werden, um die Struktur von Materie zu untersuchen. Dabei müssen Wissenschaftler Entfernungen zwischen Atomkernen mit einer Genauigkeit von Millionsteln eines Angströms messen.

In der guten alten Zeit einigte sich die Wissenschaftswelt auf den Abstand zwischen zwei Ätzungen auf einem Metallstab in Paris als Definition für das Meter. Inzwischen hat sie ihn als die Distanz festgelegt, die Licht eines Helium-Neon-Lasers in 1/299 792 458 Sekunden zurücklegt. Die Wellenlänge dieses Laserlichts ist mit 663 Nanometern aber zu groß, um bei Messungen im atomaren Bereich als Vergleich zu dienen. Stattdessen machen Wissenschaftler sich die regelmäßigen Abstände zwischen Atomen in einem Silizium-Kristall zu Nutze, die so genannte Gitterkonstante. Sie liegt bei 0,54 Nanometern – eine Distanz, die sich im Bereich der Wellenlängen von Röntgenstrahlung bewegt. Diesen Wert kennen Physiker mit einer Genauigkeit von 0,000 002 9 Prozent. Doch die Messung erfordert ultrareine Kristalle sowie penible Kontrollen von Temperatur und Druck, so dass die meisten Forscherteams die nötigen Bedingungen in ihren Laboratorien nicht reproduzieren können.

Zum Glück stellt die Natur eine einfachere Lösung zur Verfügung: den Mößbauer-Effekt. Die Kerne radioaktiver Atome in einem Kristall oder einer Folie senden Photonen mit extrem genau definierten Energien aus – die so genannte Mößbauer-Strahlung. Helle Röntgenlichtpulse aus einem Synchrotron-Strahl können den Effekt hervorrufen, wenn ihre Wellenlänge der Mößbauer-Wellenlänge entspricht.

Yuri Shvyd'ko und sein Team von der Universität Hamburg haben jetzt mit Eisen-57 gearbeitet, dessen Kerne Mößbauer-Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,086 Nanometer aussenden. "Diese Wellenlänge ist so einfach zu reproduzieren", freut sich Shvyd'ko, da dazu keine speziellen Laborbedingungen nötig sind. Die genaue Messung der Wellenlänge erfordert allerdings intensive Röntgenstrahlung. Shvyd'ko und seine Mitarbeiter haben ihre Experimente am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg und an der Advanced Photon Source im Argonne National Laboratory in Illinois durchgeführt.

Um die Mößbauer-Wellenlänge zu messen, hat die Forschergruppe einen "Wellenlängen-Wahlschalter" verwendet. Dieser besteht aus einer Anordnung von Kristallen, die eine spezifische Wellenlänge aus dem Röntgenlicht herauspickt, indem sie auf einem sorgfältig kontrollierten Drehzapfen rotiert. Kalibriert haben die Forscher den Wahlschalter, indem sie die austretende Strahlung auf einen Silizium-Kristall richteten. Aus der Bragg-Beziehung zwischen der Gitterkonstanten des Silizium-Kristalls und den Streuwinkeln haben sie mit hoher Präzision drei Referenzwellenlängen bestimmt. Mit dem kalibrierten Wahlschalter haben die Physiker leicht herausgefunden, welche Wellenlänge die Mößbauer-Strahlung in einer Eisen-57-Folie anregt: 0,086 025 474 Nanometer mit einer Genauigkeit von 0,000 019 Prozent (Physical Review Letters vom 17. Juli 2000, Abstract). "Das ist eine elegante und unglaublich geschickte Arbeit", urteilt Eric Isaacs von Lucent Technologies in Murray Hill, New Jersey. "Das ist Messkunde vom Feinsten."

Coautor Wolfgang Sturhahn vom Argonne National Laboratory hofft, dass das Team die Daten noch um mindestens einen Faktor zehn verbessern kann – vielleicht sogar mit einem engeren Röntgenstrahl. Gelingt das den Forschern, könnte die Mößbauer-Linie von Eisen-57 die Gitterkonstante von Silizium als Standard bei Röntgen- und Gamma-Wellenlängen ablösen. Dann könnte diese Wellenlänge zur Bestimmung fundamentaler physikalischer Konstanten genutzt werden.

Der Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft ist Betreiber dieses Portals. Seine Online- und Print-Magazine, darunter »Spektrum der Wissenschaft«, »Gehirn&Geist« und »Spektrum – Die Woche«, berichten über aktuelle Erkenntnisse aus der Forschung.