Ihre Meinung

Kommentare, Fragen oder Anregungen zum Interview mit Gerd Binnig?

Hier mitdiskutieren

Drillingsraum: Zusammen mit Heinrich Rohrer haben Sie das Rastertunnelmikroskop entwickelt, das auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt beruht. Was versteht man, erstmal ganz allgemein gesehen, unter diesem Effekt?

Dr. Gerd Binnig: Der Begriff Tunneleffekt ist, soweit man die Quantenmechanik heute versteht, ein bisschen irreführend. Da tunnelt in dem Sinne nichts. Von der klassischen Physik her betrachtet ist es aber schon merkwürdig: Da begibt sich ein Teilchen, etwa ein Elektron, in ein Gebiet hinein, indem es eigentlich gar nicht sein dürfte. Es gräbt sich sozusagen einen Tunnel. In Wirklichkeit haben Elektronen einen Wellencharakter und sind mehr oder weniger überall gleichzeitig. Heute beschreibt man das über eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit: Durch diese können Teilchen auch in Bereichen sein, die sie von ihrer Energie her eigentlich gar nicht erreichen könnten. Insofern kann zum Beispiel ein Elektron eine Barriere durchqueren, die viel zu hoch ist. Etwa so, wie ein Hochspringer, der plötzlich fünf Meter hoch springen und auf die andere Seite kommen kann, obwohl er nicht die Energie dazu hat. Da würde man denken: Der hat gemogelt, der ist da irgendwie durchgetunnelt (lacht). So ist dieser Begriff wohl entstanden. In Wahrheit aber liegt es eben daran, dass Teilchen nicht fest an einem Ort zu finden sind. Man muss sich das wie eine Elektronenwolke vorstellen, die keine scharfe Grenze besitzt.

Drillingsraum: Das wäre dann die Energie-Zeit-Unschärferelation.

Dr. Gerd Binnig: Ja genau. Für eine kurze Zeit können Sie die Energieerhaltung verletzen und dadurch Barrieren durchdringen, für die sie eigentlich zu wenig Energie hätten.

Drillingsraum: Ein Rastertunnelmikroskop hat eine unvorstellbar hohe Auflösung: Einzelne Atome lassen sich damit lokalisieren. Wie genau funktioniert dieses Mikroskop?

Dr. Gerd Binnig: Im Prinzip könnte man wieder das Bild dieser Elektronenwolke nehmen: Die Atome einer Oberfläche, wie etwa die von Silizium, sind immer von einer Elektronenwolke umgeben. Am Mikroskop selbst hat man eine sehr feine Spitze, wenn möglich sollte sogar ein einzelnes Atom da vorne drauf sein. Dieses Atom hat ebenfalls eine Elektronenwolke um sich herum. Wenn sich diese zwei Elektronenwolken nun berühren, kann ein Elektron von der einen zur anderen Seite wandern. Das kann man messen: Man legt einfach eine Spannung an und misst den Strom. Es ist eine bequeme Angelegenheit, einen Strom zwischen zwei Atomen zu messen. Es ist nicht so, dass er nur gerade so messbar wäre, es geht wirklich gut. Die Elektronenwolken klingen sehr schnell ab, wenn man ein bisschen weiter von ihnen weg geht. Deshalb kann man diese „Kuppen“ sehr gut lokalisieren und ein schönes Bild der gesamten Oberfläche machen, wenn man mit der Spitze darüberfährt. Was man beobachtet sind also nicht die Kerne dieser Atome, sondern ihre Elektronenwolken. Und weil diese so rapide abklingen, hat das Mikroskop diese unglaubliche Auflösung.

Drillingsraum: Würden Sie den Entwicklungsprozess des Rastertunnelmikroskops von der ersten Idee bis zum ersten gesichteten Atom kurz umreißen?

Dr. Gerd Binnig: Das war eine relativ kurze Zeit. Für mich ist diese Ganze Sache übrigens auch ein Beispiel dafür, dass Naivität oft nicht nur etwas Negatives hat, sondern auch sehr positiv sein kann. Die allerersten Grundgedanken zum Rastertunnelmikroskop kamen von meinem Kollegen und Freund Heinrich Rohrer. Sein Gedanke war, sich Materie nicht nur in geordneten Strukturen anzuschauen, wie das zu der Zeit üblich war, sondern sie lokal zu betrachten. Die Physiker damals haben immer nur in vollkommen geordneten Strukturen gedacht, weil das die einzigen Strukturen waren, die sie mathematisch behandeln konnten. Die anderen Strukturen haben sie ignoriert. Irgendwann dachten sie wohl: Ja gut, dann ist die Welt auch so (lacht). In einem Computerkonzern werden die Strukturen immer kleiner. Dort ist man irgendwann mit der Nase darauf

Da passiert etwas, was man noch gar nicht verseht. Heinrich Rohrer hatte mich damals eingestellt. Anfangs habe ich versucht, eine Methode zu finden, mit der man solche feinen Strukturen analysieren kann, aber keine gefunden. Deswegen haben wir uns gesagt: Na gut, wenn es keine Methode gibt, müssen wir eben selbst eine erfinden. Bereits ein Vierteljahr nachdem ich bei IBM angefangen habe konnte ich das erste Tunnelmikroskop vorstellen. Vom Prinzip her.

Drillingsraum: Wie war die Reaktion?

Dr. Gerd Binnig: Die haben gedacht: „Der hat einen Hau weg, da haben wir wohl nicht den Richtigen eingestellt“ (lacht). Die Pläne, die ich dann vorgestellt habe, sahen vor, in den nächsten drei Monaten dieses neue Mikroskop weiterzuentwickeln. Es wäre die höchste Auflösung, die man überhaupt haben kann. Danach kommt die Spektroskopie an die Reihe. Wir waren aber naiv und haben die Arbeit vollkommen unterschätzt, die da noch hineinfließen musste. Trotzdem waren wir unglaublich schnell, nach nur zwei Jahren war das Mikroskop fertig und hat funktioniert. Aber: Es musste eine Killer-Applikation her. Nach einem weiteren Jahr haben wir die gefunden.

Drillingsraum: Haben Sie Killer-Applikation gesagt?

Dr. Gerd Binnig: Ja. Das ist ein Begriff aus der Wirtschaft, aber in der Wissenschaft ist es das Gleiche. Die Leute müssen wachgerüttelt werden. Zu einem neuen Mikroskop, das nur atomare Stufen zeigt, sagen die: „Das ist nett, aber was machen wir damit?“ Ihnen muss klar gemacht werden, dass man damit ein Problem lösen kann. Ein Problem, an dem Heerscharen von Leuten schon jahrelang arbeiten, es aber nicht lösen können. Wir haben uns das 7x7-Modell der Siliziumoberfläche vorgenommen. Da gab es ja 100 verschiedene Modelle oder so etwas, die aber alle falsch waren. Theoretiker haben diese Modelle auf der Grundlage von indirekten Messmethoden berechnet, aber keine davon war richtig. Das wussten wir zu dem Zeitpunkt natürlich noch nicht. Wir haben uns dieses 7x7-Modell ausgesucht, weil hier das Spotlight drauf war. Das hat jeden interessiert, jeder wollte wissen, wie das mit der Siliziumoberfläche funktioniert. Silizium war damals auch ein ganz wichtiges Material in der Computerindustrie. Wir konnten diese Struktur dann wirklich beobachten, und das hat eingeschlagen wie eine Bombe.

Drillingsraum: Da haben wir ja den Killer.

Dr. Gerd Binnig: Das war der Killer, ja.

Drillingsraum: Mit welchen Problemen hatten Sie bei der Entwicklung des Rastertunnelmikroskops besonders zu kämpfen?

Der wusste ja auch nicht, ob er näher kommt, der hatte keine Ahnung. Erst als er dort war, wusste er: Jetzt bin ich da. So ähnlich war das bei uns auch. Wir haben nichts gesehen, nichts beobachten können, wir mussten aus dem Nichts heraus Rückschlüsse ziehen, was man noch besser machen kann. Das war die größte Schwierigkeit. Am Anfang hatten wir nichts im Griff, da hat einfach gar nichts funktioniert. Wir hatten mit dem Problem zu kämpfen: Wie lernt man etwas dazu, wenn eine Sache nicht einmal annähernd funktioniert? Falls eine Sache bereits annähernd funktioniert, hat man es praktisch schon geschafft. Das war beim Kolumbus auch so, er hat es auch nur annähernd geschafft, er war ja nur auf einer Insel.

Drillingsraum: Er hat nicht erreicht, was er erreichen wollte.

Dr. Gerd Binnig: Eigentlich nicht. Aber es hat dann trotzdem gepasst, genau wie bei uns. Irgendwann war die Lösung da.

Drillingsraum: Das Rasterkraftmikroskop funktioniert auch bei nichtleitenden Medien. Worin besteht der technische Hauptunterschied zum Rastertunnelmikroskop, durch den dies möglich wird?

Dr. Gerd Binnig: Was mich am Tunnelmikroskop schon früh gestört hatte, war die Tatsache, dass man immer einen Strom zwischen diesen Elektronenwolken brauchte. Dadurch kann man es in der Biologie praktisch nicht einsetzen: Durch die Flüssigkeiten in biologischen Systemen ist dieser ganze Bereich elektrisch leitend, da fließt dann überall Strom, und das mögen die biologischen Materialien nicht so gerne. Wahrscheinlich macht man dadurch sogar etwas kaputt, zum Beispiel über eine ungewollte Elektrolyse. Das möchte man nicht, deshalb braucht man etwas, bei dem kein Strom fließen muss. Wir haben uns zwei Jahre lang das Gehirn zermartert, hatten immer wieder neue Ideen, aber die entscheidende Idee ist uns lange nicht eingefallen. Irgendwann war sie dann einfach da, ohne, dass ich darüber nachgedacht habe: Wir messen einfach die Kräfte! Unsere Frage damals war: Ist das überhaupt möglich? Kann man eine Kraft zwischen zwei einzelnen Atomen messen? Das Ergebnis war erstaunlich: Das sind sogar ziemlich kräftige Kräfte, die da zwischen zwei Atomen wirken, man denkt das gar nicht. Mit einer sehr feinen Feder und einem technischen Trick lassen sich diese Kräfte messen. Man muss klein werden, das wussten wir schon vom Tunnelmikroskop her. Je kleiner man das Tunnelmikroskop macht, desto besser funktioniert es, da es dann weniger empfindlich auf Vibrationen reagiert. Das liegt daran, dass die Eigenfrequenz so hoch ist, dass sich in dieser Größenordnung schlicht keine Vibrationen im Raum mehr ausbilden können. Somit bleibt die Feder sehr ruhig, aber trotzdem empfindlich.

Drillingsraum: Das wollten Sie gar nicht haben.

Dr. Gerd Binnig: (lacht) Ja, wir wussten von der Tunnelmikroskopie her, dass das falsch ist. Eine Oberfläche ist eben nicht geordnet, es gibt immer eine gewisse Unordnung. Wir hatten unterschätzt, dass sich durch die abstoßenden Kräfte zwischen Probe und vorderster Spitze die Probenoberfläche und die Spitze etwas aneinander anschmiegen. Die erste zarte Berührung ist nicht so leicht zu messen wie beim Tunneleffekt. Beim Tunnelmikroskop ist es so: Wenn der Strom fließt, weiss man, man hat mit der Spitze die Oberfläche erreicht. Beim Messen der Kräfte bemerkt man bei der Annäherung der Spitze zuerst eine anziehende, dann eine abstoßende Kraft. Die anziehenden sind aber stärker und sind langreichweitig. Wenn das vorderste Atom bereits abstoßend wirkt, misst man immer noch eine starke anziehende Kraft zwischen Probe und Spitze. Wir hatten in den ersten Experimenten zu sehr auf die Oberfläche gedrückt. Dadurch berühren mehrere Spitzenatome, die alle parallel die Oberfläche abtasten und somit mehrere übereinander gelagerte Bilder erzeugen. Die Ordnung bleibt und die Unordnung mittelt sich weg. Die erste atomare Auflösung mit dem Kraftmikroskop haben wir übrigens hier in München an der Uni erreicht.

Drillingsraum: An der LMU?

Dr. Gerd Binnig: An der LMU, ja, das war auch die Zeit, in der wir mit Ted Hänsch zusammen auf einem Stockwerk gearbeitet haben.

Drillingsraum: Die Erfindung dieser Mikroskope liegt jetzt schon viele Jahre zurück. Wie sieht hier der technische Fortschritt aus? Kann man diese Mikroskope mit ihren atomaren Auflösungsvermögen überhaupt noch verbessern?

Dr. Gerd Binnig: Beim Kraftmikroskop gab es durchaus Verbesserungen. Hier hatte man eben das Problem, dass sich die Spitze und die Oberfläche schon fast berührten. Obwohl es in diesem Fall schwierig ist, von Berührung zu sprechen. Der Gedanke: „Solange es noch anziehend ist, berührt man noch nicht“, ist falsch. Es ist nicht einfach zu messen, wann die zwei vordersten Atome sich berühren. Hier hat es in der letzten Zeit ein paar Entwicklungen gegeben, um das besser zu machen.

Drillingsraum: Aus unserem Interview mit Theodor Hänsch zum Thema Quantenmechanik stammt seine Aussage: „Es gibt wohl keine scharfe Grenze zwischen der Quantenmechanik und der klassischen Welt.“ Mit den Tunnelmikroskopen taucht man ja in Bereiche ein, in denen die Quantenmechanik eine dominierende Rolle spielt. Gibt es bei diesen atomaren Messungen schon Probleme mit der Unschärferelation?

zwei freistehende Bindungsärmchen, kann man das erkennen. Die Welt ist von Natur aus unscharf, und über das Tunnelmikroskop beobachten wir auch unscharf. Dann passt das wieder zusammen.

Drillingsraum: Wo setzt uns der Mikrokosmos eine Grenze der Beobachtung? Kann man bei der atomaren Abtastung von Oberflächen wirklich noch von „anschauen“ sprechen?

Dr. Gerd Binnig: Ich würde da von anschauen sprechen, ja. Als der berühmte Kollege Richard Feynman zum ersten Mal vom Tunnelmikroskop gehört hat, hat er gesagt: „Das ist kein wirkliches Anschauen mehr, das muss man erst noch interpretieren“. Dazu sage ich, dass er etwas ganz Wesentliches nicht verstanden hat, denn: Das ist bei allem so. Wir haben ein immenses Wissen über die Welt. Deswegen verstehen wir das, was wir mit unseren Augen sehen. Aber im Prinzip ist auch das nur ein Abtasten. Ein Abtasten, bei dem sehr viel Interpretation nötig ist. Bei diesen Mikroskopen ist es genauso. Man muss immer interpretieren.