Seit mehr als 200 Jahren zeigen Doppelspaltexperimente, wie Wellen Interferenzmuster erzeugen, ähnlich wie sich überlappende Wellen auf einem Teich. Wissenschafter*innen haben dieses Prinzip nicht nur genutzt, um das Wellenverhalten nachzuweisen, sondern auch, um Messungen mit großer Präzision durchzuführen: zunächst mit Licht, dann mit Teilchenstrahlen wie Elektronen, Atomen und sogar großen Molekülen. Heute helfen Interferenzen dabei, winzige Effekte zu messen – von elektrischen und magnetischen Feldern bis hin zur Schwerkraft. Wenn diese Interferometer auf Atomgröße verkleinert werden, lassen sich Materialeigenschaften Bindung für Bindung messen, auch an Stellen wie Defekten und Grenzflächen, die oft ausschlaggebend für diese Eigenschaften sind. „Dies könnte Lösungen für drängende Herausforderungen bei der Energieumwandlung oder bei der Entwicklung fortschrittlicher Materialien für neuartige Anwendungen eröffnen,“ so Studienautor Toma Susi von der Universität Wien.
Atome in Kristallen sind in regelmäßigen Säulen angeordnet, die wie eingebaute Spalte mit bekanntem Abstand wirken können. Dank der Fortschritte in der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) ist es möglich, einen ultrascharfen Elektronenstrahl auf gerade einmal ein Atompaar zu fokussieren und an jeder Stelle detaillierte Beugungsmuster aufzuzeichnen. Mit diesem Ansatz zeigen die Forscher*innen, dass ein Siliziumkristall auf atomarer Ebene tatsächlich wie ein Doppelspalt funktioniert. Der Erstautor Koudai Tabata von der Universität Tokio bemerkt: „Was wir nicht erwartet hatten, war, wie viele Informationen die Interferenzstreifen selbst enthalten: Indem wir ihre Sichtbarkeit im Detail untersuchten, konnten wir ablesen, wie eng benachbarte Atome sich bei ihren Schwingungen in dieselbe Richtung bewegen.“
Überraschenderweise blieben diese Interferenzstreifen auch dann deutlich erkennbar, als die Probe von Raumtemperatur auf 900 K erhitzt wurde, was zeigte, dass nur bestimmte atomare Schwingungen das Muster verwischen, während andere es intakt lassen. Die entscheidende Erkenntnis war, dass benachbarte Atome nicht rein zufällig schwingen, sondern sich oft synchron bewegen, was bedeutet, dass ihre Schwingungen korreliert sind. Durch die Analyse der Veränderungen der Streifen in verschiedenen Richtungen konnte das Team feststellen, welche atomaren Bewegungen steifer (entlang der Bindung) und welche weicher (seitwärts) sind, und so die lokale Bindungsstärke direkt aus dem Muster selbst ablesen.
Das Team in Tokio wurde von Toma Susi von der Fakultät für Physik der Universität Wien unterstützt, der die Gruppe im Wintersemester 2024–2025 drei Monate lang besuchte. Für die der Arbeit zugrunde liegenden Simulationen wurde der von seiner Gruppe entwickelte Open-Source-Code abTEM verwendet, der neue Verbesserungen bei der Beschreibung korrelierter Schwingungen enthält. „Ich konnte genau die richtigen Berechnungswerkzeuge bereitstellen, um diese spannenden Ergebnisse zu ermöglichen. Ich bin meinem Institut dankbar, dass es mir die Freiheit gegeben hat, in Japan zu arbeiten“, fügt Susi hinzu.
Durch die Umwandlung des weit verbreiteten STEM-Mikroskops in ein Interferometer auf atomarer Ebene wird das Beugungsmuster selbst zu einem direkten Messinstrument für korrelierte Schwingungen. Da dieser Ansatz auf bestimmte Atompaare ausgerichtet werden kann, ließe er sich zur Untersuchung von Bindungen an Defekten, Grenzflächen und Korngrenzen nutzen. Das Ergebnis ist eine völlig neue Methode, um zu erkennen, welche Schwingungen am wichtigsten sind und wie mikroskopische Bewegungen das Verhalten alltäglicher Materialien beeinflussen. Der leitende Autor Naoya Shibata von der Universität Tokio fasst zusammen: „Wir glauben, dass diese Arbeit neue Möglichkeiten für die Elektronenmikroskopie mit atomarer Auflösung eröffnet. Mit Blick auf die Zukunft wollen wir diesen Ansatz auf eine Reihe von materialwissenschaftlichen Problemen anwenden, wie beispielsweise die Untersuchung von Grenzflächen.“
Originalveröffentlichung:
Atomic-scale double-slit interferometry with a focused electron probe: Koudai Tabata, Takehito Seki, Toma Susi, Ryo Ishikawa, Naoya Shibata. Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10914-9
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Assoz. Prof. Dr. Toma Susi
Physik Nanostrukturierter Materialien
Fakultät für Physik, Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
T +43-1-4277-728 55
toma.susi@univie.ac.at
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