Einschläge von Atomen und Meteoriten ähneln einander

Die winzige Welt der Moleküle und die große Welt der Dinge sind mitunter sehr ähnlich: Wenn geladene Atome etwa auf Kristalle geschossen werden, dann erzeugen sie ähnliche Spuren wie Meteoriten, die auf die Erde einschlagen.

Ein Meteoriteneinschlag in flachem Winkel kann eine Furche in die Erdoberfläche ziehen und große Materialmengen aufschmelzen. Schießt man schwere Ionen mit hoher Geschwindigkeit in einem ähnlichen Winkel auf eine Kristalloberfläche und untersucht diese mit einem Rasterkraftmikroskop, „dann erkennen wir sehr deutliche Parallelen zwischen den Spuren der Ionen-Einschläge und einem Meteoriten-Impakt“, erklärte Elisabeth Gruber, Dissertantin bei Friedrich Aumayr vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität (TU) Wien.

Das Ion grabe zunächst eine Rille in den Kristall, die mehrere hundert Nanometer lang sein kann. Beiderseits davon wölbt sich das Material auf, die sogenannten „Nanohillocks“ entstehen. An der Stelle, wo das Ion endgültig unter der Kristalloberfläche verschwindet, bildet sich eine besonders hohe Erhebung. Dahinter kann man den Weg des Ions noch ein Stück anhand einer Erhöhung der Oberfläche verfolgen, bis das Atom schließlich tiefer im Kristall zum Stillstand kommt.

Oberfläche von Nanostrukturen

So weit, so einleuchtend, doch Objekte der Nanowelt, wo die Regeln der Quantenphysik gelten, verhalten sich nicht unbedingt ähnlich wie größere Gegenstände. Will man die Vorgänge verstehen, müssen die verschiedenen (quanten-)physikalischen Effekte berücksichtigt werden. Das ist den Physikern nun am Beispiel von Kalziumfluorid gelungen. Mithilfe von Simulationsrechnungen sehen sie, wie stark sich die Oberfläche an welchen Stellen aufheizt, wo das Material schmilzt oder sogar verdampft.

So lasse sich gut vorhersagen, welche Nanostrukturen sich auf der Oberfläche bilden, betonen die Physiker. Das sei wichtig, wenn man etwa Nanostrukturen auf Oberflächen gezielt herstellen will. Die Erkenntnisse helfen aber auch bei der Untersuchung von Materialien, die durch unerwünschten Ionenbeschuss beschädigt werden - beispielsweise elektronische Bauteile in Satelliten, die der kosmischen Strahlung ausgesetzt sind.

Sehr ähnliche Effekte können auch mit langsamen hochgeladenen Ionen erzielt werden, zeigen die Wiener Physik in einer Arbeit, die in den „Physical Review Letters“ erscheint.

science.ORF.at/APA

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