Wissenschaftern um TU-Professor Jörg Schmiedmayer am Atominstitut ist es, gemeinsam mit Kollegen aus Heidelberg und der Gruppe von Ron Folman an der Ben-Gurion Universität in Israel, gelungen, mit ultrakalten Atomen als Magnetfeldsensor mit sehr hoher Empfindlichkeit und örtlicher Auflösung Magnetfelder zu messen. Die neue Methode vereint hohe räumliche Auflösung von 3 µm mit einer sehr guten Sensitivität im Bereich von Nanotesla. Bisher gebräuchliche Verfahren erlaubten hingegen entweder sehr gute räumliche Auflösung von einigen Nanometern bei geringer Feldsensitivität oder aber sehr hohe Feldsensitivität im Bereich einiger Femtotesla bei geringer räumlicher Auflösung.

Der neue Sensor nutzt die sehr hohe Empfindlichkeit von ultrakalten neutralen Atomwolken auf Variationen einer Potentiallandschaft aus. Dies lässt sich mit folgender Analogie veranschaulichen. Man denke sich die Potentiallandschaft aus Hügeln und Tälern bestehend, die man komplett mit einer Flüssigkeit auffüllt. Um das lokale Potential zu bestimmen, muss man an jeder Stelle die Tiefe der Flüssigkeit messen: In den Tälern sammelt sich viel Flüssigkeit an, an Hügeln wenig.

Diese Situation ist analog zu ultrakalten Atomen in einer magnetischen Potentiallandschaft. Hier beschreibt man das Wechselwirkungspotential durch U=µB mit dem magnetischen Moment µ eines Atoms und dem lokalen Magnetfeld B. An Stellen mit tiefem Wechselwirkungspotential (Tal) sammeln sich viele Atome und bei hohem Wechselwirkungspotential (Hügel) wenig Atome. In den Experimenten entspricht die Dichtevariation in der ultrakalten Atomwolke typischerweise einer Magnetfeldvariation von einigen 100 nT (ein Nano-Tesla sind ein Hunderttausendstel des Erdmagnetfeldes). Dies erklärt die sehr hohe Sensitivität des Magnetfeldsensors.

In dem Experiment wird eine etwa einen Millimeter lange Wolke aus Rubidiumatomen in einer zylinderförmigen Atomfalle wenige Mikrometer oberhalb einer zu untersuchenden Materialprobe positioniert (Abbildung 1). Diese Atomfalle wird durch Magnetfelder gebildet, die mit Hilfe eines stromdurchflossenen Golddrahts (Fallendraht) auf einem Substrat – dem so genannten Atomchip – erzeugt werden. Kleinste Variationen des Magnetfelds oberhalb der Materialprobe (beispielsweise durch den Stromfluss im Draht auf dem Atomchip) verursachen eine Variation der Potentiallandschaft, der Falle. Diese bewirken eine lokale Variation der Dichte der Atomwolke.

Aus der atomaren Dichteverteilung lässt sich das Magnetfeld bestimmen. Hierzu werden die Atome mit einem resonanten Laserstrahl beleuchtet und die Lichtabsorption als Schattenbild mit einer CCD-Kamera aufgezeichnet (Abbildung 1). Aus dieser Aufnahme kann die longitudinale Dichteverteilung der Atome und daraus die Potentiallandschaft entlang der Falle berechnet werden. Mit einer einzigen Messung erhält man die gesamte Potentialinformation entlang der Atomwolke auf einer Länge von etwa einem Millimeter. Verschiebt man die Atomwolke transversaler Richtung, so vermisst man die Magnetfeldlandschaft zweidimensional.

Die verwendete optische Abbildungstechnik beschränkt die räumliche Auflösung dieser Messung auf einige Mikrometer, während die erreichte Magnetfeldsensitivität von einigen Nanotesla durch fundamentales Schrotrauschen (shot noise) in der Atomzahlmessung limitiert ist. Mit einer höheren Atomdichte wird es voraussichtlich möglich sein, die Sensitivität noch um eine Größenordnung zu verbessern.

In der nun in Science erscheinenden Arbeit haben die Wissenschafter dieses Magnetfeldmikroskop zur Untersuchung von Stromfluss in dünnen Goldschichten angewendet. Die besondere Empfindlichkeit und die gute Ortsauflösung des Magnetfeldmikroskopes ermöglichen einen neuartigen Einblick in den Stromtransport in metallischen Leitern.  Dabei wurden einige überraschende Ergebnisse gefunden.

(1) Obwohl der Stromfluss im Leiter durch Diffsion der Elektronen mit einer freien Weglänge von 40 nm bestimmt ist, findet man langreichweitige 45 Grad orientierte Muster (~100µm) , die an den fundamentalen Prozess der Elektronenstreuung an einem Defekt widerspiegeln.

(2) Der Strom fliesst in den dünnsten Goldschichten am geradesten. Viel gerader als man erwarten würde.  Duch eine detailierte Analyse kann man zeigen, dass verschiedene Komponenten, die zu Stromflussrichtungsänderungen beitragen, sich in der untersuchten Drähten unterschiedlich verhalten.  Diese Ergebinsse stehen zum Teil in Widerspruch zu dem, was man aus den "traditionellen" Untersuchungen erwarten würde.

Beides zusammen zeigt auf, dass durch das neue Magnetfeldmikroskop ein neuer Einblick in die Physik des Stromflusses gewährt wird. Im Speziellen kann man das Wechselspiel zwischen der mikroskopischen Physik (mehr duch die traditionellen Methoden untersucht) und den globalen Eigenschaften über einen grossen Bereich der Längenskalen untersuchen.

Das Experiment ist die erste konkrete Anwendung des Magnetfeldsensors zu einem Problem der Festkörperphysik und Materialwissenschaften und eine der ersten konkreten Anwendungen der Physik kalter Atome ausserhalb der Quantenoptik. Es zeigt eindrucksvoll seine hohe Sensitivität. In Zukunft werden ähnliche Experimente es ermöglichen, neue Phänomene in der Halbleiter- und Oberflächenphysik zu untersuchen. Da der Magnetfeldsensor sehr sensitiv auf Richtungsänderungen eines Stromflusses reagiert, ließen sich damit dünne stromführende Leiter untersuchen. Hier sind beispielsweise Halbleiter-Quantum-Wells oder der Isolator-zu-Leiter-Übergang sehr interessante Forschungsobjekte.