Atome lassen sich abbilden, aber nicht mit Licht. Rastertunnelmikroskope und Rasterkraftmikroskope zeichnen einzelne Atome seit den frühen 1980er Jahren auf, hochauflösende Elektronenmikroskope mit korrigierten Linsen schaffen es ebenfalls. Verbreitet ist trotzdem die Annahme, Atome seien zu klein für jedes Gerät, und die bunten Kugelbilder aus Schulbüchern und Nachrichten stammten allesamt vom Computer.
Diese Vorstellung hat einen wahren Ausgangspunkt, denn kein Lichtmikroskop der Welt kommt einem Atom nahe. Übersehen wird, dass Mikroskopie nicht an Licht gebunden ist. Ein Gerät, das eine Spitze im Abstand von weniger als einem Nanometer über eine Oberfläche führt, braucht keine Wellenlänge, die kleiner als das Objekt ist. Es misst einen Strom, eine Kraft oder die Streuung von Elektronen und setzt daraus ein Bild zusammen, dessen Punkte nur Bruchteile eines Atomdurchmessers auseinanderliegen. Die Bilder sind echt, zeigen aber etwas anderes, als die Wörter Sehen und Foto vermuten lassen, und genau daraus speist sich die Skepsis. Ein Vergleich macht den Abstand greifbar: Um ein Atom von 0,25 Nanometern auf die 0,1 Millimeter zu bringen, die das Auge gerade noch trennt, wäre eine 400 000fache Vergrößerung nötig, ein Wert, den kein Linsensystem mit nutzbarem Bild erreicht.
Woher der Zweifel an Atombildern kommt
Der Zweifel hat historische Wurzeln. Um 1900 galten Atome vielen Physikern als bloße Rechenhilfe, und dieses Misstrauen wirkt in der Schule nach, wo die Grenze des Lichtmikroskops zuerst unterrichtet wird. Die Grenze liegt nach Abbe bei der Wellenlänge geteilt durch die doppelte numerische Apertur. Mit grünem Licht von 550 Nanometern und einem Ölobjektiv der Apertur 1,4 ergibt das rund 196 Nanometer. Ein Atom misst etwa 0,25 Nanometer, das Mikroskop löst also gut 780 mal gröber auf, als nötig wäre. Kein Okular und kein Zoom ändert daran etwas, denn Vergrößerung ohne zusätzliche Details bleibt leer. Zum Zweifel trägt außerdem bei, dass die Atomabbildungen in den Medien fast durchweg eingefärbt sind. Ein Rastertunnelmikroskop liefert zunächst ein Graustufenbild aus Höhenwerten, die Farbgebung ergänzt der Anwender nachträglich nach Geschmack, und das erweckt den Eindruck von Fantasie. Unterschätzt wird auch, wie früh Atome tatsächlich abgebildet wurden: Das Feldionenmikroskop von Erwin Müller zeigte Mitte der 1950er Jahre einzelne Wolframatome an einer feinen Metallspitze, rund drei Jahrzehnte vor dem ersten Tunnelmikroskop. Dass dieses frühe Verfahren kaum bekannt ist, liegt an seiner Beschränkung auf Spitzen aus hochschmelzenden Metallen bei der Kühlung mit flüssigem Stickstoff oder Helium, ein Aufbau, der nie in Schulbüchern gezeigt wurde.
Was die Messungen tatsächlich zeigen
Beim Rastertunnelmikroskop fließt zwischen einer atomar feinen Spitze und der Probe ein winziger Strom von etwa einem Nanoampere, obwohl sich beide nicht berühren. Möglich macht das der Tunneleffekt der Quantenmechanik. Der Strom hängt exponentiell vom Abstand ab: Bei einer Austrittsarbeit von 4,5 Elektronenvolt fällt er mit jedem Zehntel Nanometer Abstand auf rund ein Neuntel. Die Rechnung dazu: Der Abklingparameter beträgt etwa 1,09 je Ångström, der Strom ändert sich nach dem Faktor e hoch 2,18, also um das 8,8fache je 0,1 Nanometer.
Diese Steilheit trägt die Trennschärfe. Ein Atom, das nur 0,01 Nanometer aus der Oberfläche ragt, verändert den Strom bereits um 24 Prozent, und ein solcher Sprung lässt sich leicht messen. Die Spitze fährt Zeile für Zeile über die Probe und regelt dabei die Höhe so nach, dass der Strom gleich bleibt. Aus dem Regelsignal entsteht die Karte. Bei Elektronenmikroskopen liegt der Hebel in der Wellenlänge: Elektronen, die 200 000 Volt durchlaufen haben, schwingen mit nur 2,5 Pikometern, gut 200 000 mal kürzer als grünes Licht. Linsenfehler hielten die Detailgrenze lange bei etwa 0,2 Nanometern, erst Korrekturen brachten sie unter 0,1 Nanometer.
Das Rasterkraftmikroskop misst statt eines Stroms die winzige Kraft zwischen Spitze und Atom und kommt damit auch bei Isolatoren zum Ziel. 2009 zeigte ein Team in Zürich damit die Bindungen im Molekül Pentacen. Ein Gegenstück liefert die Nebelkammer, in der Teilchen über ihre Spur nachgewiesen werden, ohne jemals selbst aufzutauchen, ein ganz anderer Weg zum selben Ziel, Verborgenes messbar zu machen.
Graphit als Prüfstein im Schulexperiment
An Hochschulen und mancher Schule steht ein kleines Tunnelmikroskop, mit dem Graphit abgebildet wird. Die Spitze besteht aus einem Platin-Iridium-Draht, der mit einem Seitenschneider schräg abgezwickt wird, ohne Schleifen und Polieren. Irgendwo auf dem ausgefransten Ende ragt ein einzelnes Atom am weitesten vor, und dieses eine Atom übernimmt die Abbildung. Frisch abgezogenes Graphit liefert eine glatte Fläche, an der sich das Gerät in Luft prüfen lässt. Ein Bildfeld von 5 mal 5 Nanometern mit 256 Zeilen ergibt eine Schrittweite von rund 0,02 Nanometern, genug für ein Gitter mit Abständen von 0,25 Nanometern.
Das Ergebnis überrascht Neulinge: Im Bild erscheint kein Wabenmuster, obwohl Graphit aus Sechsecken mit 0,142 Nanometern Kantenlänge besteht, sondern ein Dreiecksgitter mit 0,246 Nanometern Abstand. Nur jedes zweite Kohlenstoffatom der Schicht trägt zur Abbildung bei, weil die Atomlage darunter die elektronische Struktur ungleich beeinflusst. Mit dem gemessenen Muster sind die Tunnelelektronen gewissermaßen selbst abgezählt, denn kein Lehrbuchbild liefert diesen Befund, den erst die Messung am Gerät zutage fördert.
Die größte Störung sind Erschütterungen. Bodenschwingungen von nur 10 Nanometern entsprechen bereits dem Vierzigfachen eines Atomabstands von 0,25 Nanometern und verwischen jedes Bild. Deshalb hängt die Messeinheit an Federn, steht auf einem schweren Fundament und arbeitet bevorzugt nachts, wenn Verkehr und Schritte im Gebäude ruhen.
Wo die Skepsis recht behält
Ein Kern der Skepsis stimmt: Ein Atombild ist kein Foto. Es ist eine Karte aus Messwerten, deren Bedeutung vom Verfahren abhängt, und schon das Rasterverfahren braucht Sekunden bis Stunden für ein einziges Bild. Der Unterschied zum Sehen mit dem Auge liegt im Detektor: Die Augenlinse sammelt Lichtquanten, das Mikroskop sammelt Zahlen. Dazu kommt, dass jede Messung eine Mittelung über die Zeit ist und bewegliche Atome verschmieren, solange die Probe nicht gekühlt wird, was bei Zimmertemperatur vor allem lose gebundene Moleküle betrifft. Die Grenzen im Überblick:
- Ein Atom hat keine Oberfläche und keine Farbe, das Bild zeigt Elektronendichte oder Kraft, nicht die Kugelform aus dem Modell.
- Die Farben stammen vom Anwender, das Messsignal selbst ist einfarbig.
- Lichtmikroskope bleiben auch mit Tricks wie dem STED Verfahren bei rund 20 Nanometern, Atome erreichen sie nie.
- Das Bild einer Spitze ist zugleich ein Abbild der Spitze, ein stumpfes Ende verschmiert das Muster und erzeugt Doppelbilder.
Das Rastertunnelmikroskop von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer, dessen erste Aufnahmen 1983 die Oberfläche von Silizium mit ihrer Einheitszelle von 2,69 Nanometern Kantenlänge zeigten, brachte 1986 den Nobelpreis. Gemessen wird dabei reproduzierbar, jedes Labor mit passendem Aufbau erhält dasselbe Muster, und genau das unterscheidet ein Messergebnis vom Kunstwerk. Ein Bildschirm zeigt am Ende nur, was die Spitze zuvor erfasst hat. Zweifel an einem einzelnen Bild lassen sich durch zehn weitere Läufe prüfen: Stimmen Gitterabstand und Symmetrie überein, scheidet ein Artefakt der Spitze weitgehend aus, und genau diese Wiederholung gehört zum Standard jeder fachlichen Veröffentlichung über Oberflächen.
