Kooperationsprojekt mit der CryoVac GmbH

Entwicklung von Ultahochvakuumtauglichen, hochpräzisen und niedrigstrombetriebenen supraleitenden Spulen für Experimente im Nanobereich

Kooperationsprojekt zwischen der CryoVac GmbH & Co. KG (Troisdorf) und der Arbeitsgruppe Polarisiertes Target

Die aktuelle Nachfrage von kommerziellen Mess- und Untersuchungsgeraten im Bereich der Nanophysik verlangt zunehmend nach ultrahochvakuumtauglichen (UHV) supraleitenden Magneten, um den Anforderungen der Anwender in Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Nanotechnologie auch in Zukunft gerecht zu werden. Gegenwärtig finden sich weltweit keine Anbieter UHV-tauglicher supraleitender Magnetsysteme, die die Nachfrage bedienen können. Im Rahmen eines Kooperationsprojektes wird die Entwicklung und Kommerzialisierung von kompakten supraleitenden Magneten für den Einsatz und Betrieb unter UHV-Bedingungen angestrebt.

Projektpartner sind die CryoVac GmbH & Co. KG, ein Marktführer auf dem Gebiet der Entwicklung, des Designs und der Fertigung kryotechnischer Systeme für wissenschaftliche Anwendungen im Bereich der Nano- und Oberflächenphysik, und die Arbeitsgruppe „Polarisiertes Target“ des Physikalischen Instituts der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, die über eine langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Simulation und Herstellung von kleinen, kompakten supraleitenden Spulen verfügt.

Zur Untersuchung von Festkörpern und deren Eigenschaften auf der Nanometerskala hat sich die Rastertunnelmikroskopie seit ihrer Entwicklung vor über dreißig Jahren zur Standardmethode durchgesetzt. Das RTM (Rastertunnelmikroskop) und dessen artverwandte Methoden (z.B. Kraftmikroskop – AFM oder die Tunnelspektroskopie) sind heute die Forschungsgeräte zur Manipulation und Untersuchung von Atomen und Molekülen in der Nanophysik.

Typischer Weise wird ein RTM bei Raumtemperatur betrieben. Wird die zu untersuchenden Probe und damit das RTM selbst auf Temperaturen unter 20K abgekühlt ergibt sich eine wesentliche Erweiterung des Anwendungsbereiches eines RTMs. Grundsätzlich wird in diesem Temperaturbereich (T < 20K) das Signal zu Rauschverhältnis dramatisch verbessert, physikalische Effekte wie z.B. Diffusion werden „eingefroren“ oder gemessene Peak-Breiten werden schärfer und somit besser beobachtbar. Unter diesen Bedingungen wird Grundsätzlich eine Verbesserung der Gesamtstabilität und Auflösung des RTMs erreicht. Wird die Temperatur weiter abgesenkt (T < 1K) ist die Untersuchung von sonst nicht zugänglichen nanophysikalischen Phänomenen (z.B. die Supraleitung in Festkörpern, der Kendo-Effekt oder Wechselwirkungen elektronischer Systeme) und ein tieferes Verständnis der Vorgänge im Festkörper erst möglich. Besonders diese Klasse von Experimenten fordert neben den tiefen Temperaturen das Vorhandensein von variablen externen Magnetfeldern, die die Experimentierprobe durchsetzen. Hieraus resultiert die gestiegene Nachfrage innerhalb der Festkörperphysikcommunity nach RTMs, die für den Betrieb bei tiefen, bis sehr tiefen Temperaturen und mit einem internen supraleitenden Magnet ausgelegt sind.

Zwingend für die Forschung an atomaren bzw. molekularen Proben und die Beantwortung der interessierenden Fragestellungen auf der Nanometerskala ist die Reinheit der zu untersuchenden Strukturen. Daraus ergibt sich die experimentelle Notwendigkeit, dass das RTM und damit die Probe unter Ultrahochvakuumbedingungen betrieben wird (UHV-RTM). Alle im Probenraum befindlichen Bauelemente und Materialien und folglich explizit auch ein interner supraleitender Magnet müssen damit ausnahmslos der UHV-Randbedingung genügen.

Weitere Informationen zu kommerziellen UHV-RTMs und deren Anwendung findet man auf den Seiten der CryoVac GmbH.