Spione aus Antimaterie
Physiker suchen Materialfehler auf atomarer Ebene
Für immer extremere Einsatzbereiche in Technik und Wissenschaft werden ständig neue Materialien mit erhöhter Festigkeit, Bruchsicherheit, Hitzebeständigkeit oder mit einer zur Verarbeitung geeigneten Verformbarkeit gesucht. Da sich solche verbesserten Materialeigenschaften oftmals durch Veränderungen auf atomarer Ebene ergeben, verwenden die Festkörperphysiker an der Universität Stuttgart sehr viel Arbeit darauf, schon kleinste Unterschiede im atomaren Aufbau von Versuchsmaterialien zu erkennen.

Eines der Forschungsziele ist es, einen erweiterten Einblick in den Zusammenhang zwischen der Anzahl von Gitterfehlstellen und den Eigenschaften der Versuchsmaterialien zu erlangen. Dazu muss man wissen, dass viele Festkörper wie Aluminium oder Eisen aus Kristallen aufgebaut sind, ihre Atome also eine sehr regelmäßige Anordnung aufweisen. Länger zurückliegende Forschungen haben jedoch bereits ergeben, dass in diesen Gittern ganz natürlich des Öfteren „Fehler" auftreten, also mögliche Atompositionen unbesetzt sind. Die Anzahl dieser Gitterfehlstellen variiert von Material zu Material und ist unter anderem auch von der Temperatur abhängig. Die Stuttgarter Forscher erhoffen sich nun, dass sie, wenn es ihnen gelänge, die Anzahl dieser Fehlstellen zuverlässiger und schneller als bisher zu ermitteln, zukünftig präzisere Aussagen über Materialeigenschaften treffen  können, ohne weitere Erprobungen durchführen zu müssen.

Besonders problematisch für die Arbeit mit solchen Fehlstellen gestaltet sich deren Erfassung. Im Verhältnis zu der Anzahl der Atome eines Stoffes kommen nur sehr wenige Fehlstellen in Kristallen vor, weshalb sie mit hohem wissenschaftlichem Aufwand gesucht werden müssen. Eine Methode, die die Stuttgarter Forscher hierzu anwenden, ist die Positronenlebensdauerspektroskopie. Wie schon der Name sagt, wird bei dieser Methode die durchschnittliche Lebensdauer von Positronen – den positiv geladenen, massegleichen Antiteilchen der Elektronen – gemessen, die von außen in das zu prüfende Material geschossen werden. Ein Elektron, von denen sich viele in Wolken rund um die Atomkerne innerhalb des zu prüfenden Kristallgitters finden, hat nämlich die Eigenschaft, bei Kontakt mit seinem Antiteilchen – dem Positron – zu zerstrahlen, sodass beide Teilchen verschwinden. Bei diesem Vorgang – der Annihilation – der ungefähr eine millionstel Sekunde dauert, wird Energie in Form von Strahlungfrei, die von den Forschern gemessen werden kann.
Messen die Forscher nun einen solchen Energiebetrag, dann können sie daraus schließen, dass das zuvor künstlich von außen in das Kristallgitter eingeschossene Positron mit einem beliebigen Elektron, welches um einen der Atomkerne seine Bahnen beschrieb, zerstrahlt – also sein „Tod" eingetreten ist. Wieso dies für die Bestimmung der Fehlstellenanzahl wichtig ist, darauf wird im folgenden Abschnitt ausführlich eingegangen. Zur Messung einer solchen Positronenlebensdauer setzen die Forscher der Universität Stuttgart ein künstlich erzeugtes, radioaktives Nuklid ein, beispielsweise das Natriumisotop 22Na, welches unter Abgabe von einem Positron zu einem 22Neonatom zerfällt. Aus diesem Vorgang stammen die Positronen, deren Lebensdauer gemessen wird. Neben dem Positron entsteht bei diesem Zerfallsprozess noch ein Neutrino und es wird ebenfalls Energie als Gammastrahlung freigesetzt. Diese Energie wird von Sensoren erfasst und markiert den Beginn eines Positronenlebens, an dessen Ende wieder ein freigesetzter Energiebetrag steht. Die Forscher messen nun per Computer die Zeitspanne zwischen dem Entstehungszeitpunkt eines Positrons und dem Ende seiner Lebensdauer. 
Mit Positronenstrahlern, wie dem Natriumisotop, werden die Positronen in die Probe geschossen. Anfangs sind die Positronen viel zu schnell, um mit einem Elektron zu zerstrahlen. Doch durch inelastische Stöße mit Elektronen verlieren die Positronen immer mehr kinetische Energie (Bewegungsenergie), bis sie sich nur noch ganz langsam durch das Gitter bewegen. Man bezeichnet diesen Vorgang als Positronendiffusion. Dabei sind sie so langsam, dass sie mit jedem weiteren Elektron, in dessen Nähe sie kommen, zerstrahlen können. Viele Positronen zerstrahlen in diesem Stadium, ohne je eine Fehlstelle erreicht zu haben. In „normalen" Gitterbereichen befinden sich in der Nähe der Positronen stets positiv geladene Atomkerne. Abstoßende Coulombkräfte wirken zwischen den positiv geladenen Kernen und dem positiv geladenen Positron. Es wird also stets in Richtung der aus den verschiedenen Abstoßungskräften resultierenden Kraft weiter „geschubst", bis es entweder mit einem Elektron annihiliert, oder bis es eine Fehlstelle erreicht. Hier fehlt ein positiv geladener Atomkern und damit auch die von diesem auf ein Positron ausgehende abstoßende Kraft. Die Summe aller auf das Positron wirkenden Kräfte wird es also immer weiter in Richtung einer Fehlstelle schieben, da von der Fehlstelle keine Kraft ausgeht, es aber von allen anderen Richtungen eine Abstoßung erfährt. Ist das Positron an der Fehlstelle angekommen, dann halten sich die Abstoßungskräfte, die auf das Positron nunmehr – bedingt durch den regelmäßigen Bau eines Kristalls – von allen Seiten gleichstark wirken, die Waage und das Positron erfährt keine resultierende Kraft in irgendeine Richtung.
Es verbleibt so lange an der Fehlstelle, bis es mit einem zufällig vorbeikommenden Elektron annihiliert und unter Abgabe von Gammastrahlung verschwindet. (Schema)

Da sich die Elektronen in festen Bereichen um die Kerne bewegen und sich kaum aus diesen lösen, befinden sich in der Nähe von Fehlstellen weniger Elektronen als in Bereichen ohne „Fehler". Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Positron innerhalb einer Fehlstelle zerstrahlt, ist also geringer, da weniger mögliche Partner für einen solchen Vorgang vorhanden sind. Es wird deshalb erst etwas später zerstrahlen als Positronen, die sich während ihrer Lebensdauer nie in einer Fehlstelle befunden haben. Wird diese Lebensdauermessung bei sehr vielen Positronen durchgeführt, dann ist die durchschnittliche Lebensdauer der Positronen eine messbare, immer gleich bleibende, kennzeichnende Größe für ein bestimmtes Material bei einer bestimmten Temperatur. Somit werden Teilchen aus Antimaterie – Positronen – eingesetzt, um Fehlstellen auszuspionieren, die man ansonsten nicht erfassen könnte.
Eine typische Messung am Institut für theoretische und angewandte Physik dauert rund zwei Tage,  währenddessen  die Lebensdaten von rund 100 000 Positronen aufgezeichnet werden. Am Ende dieser Messung wird dann die Lebensdauer der Positronen gemittelt und aus diesem Wert können die Forscher abschätzen, wie viele Fehlstellen in der Probe enthalten sind.

Außer der Anzahl der Fehlstellen können die Forscher mit der gleichen Messmethode auch weitere interessante Daten ermitteln. So erlauben Verfeinerungen dieser Methode auch Rückschlüsse auf das Elektron, mit dem das Positron zerstrahlt ist. Das ist besonders aufschlussreich, wenn keine Kristalle vorliegen, die nur aus Atomen eines Typs gebaut sind, sondern sich wie Legierungen aus mehreren verschiedenen Elementen zusammensetzen. Die verfeinerte Messung erlaubt es, die Bahngeschwindigkeit und den Drehimpuls des zerstrahlten Elektrons auszurechnen. Daraus kann man in den meisten Fällen schließen, um welches chemische Element es sich bei dem Atom handelt, aus dessen Wolke das zerstrahlte Elektron stammte.
So lässt sich mit der Methode auch die Zusammensetzung von unbekannten Legierungen ermitteln und außerdem erfassen, ob sich Fehlstellen bevorzugt in der Nähe von Atomen eines bestimmtes Elements ausbilden. Zusätzlich können die Physiker die gesammelten Daten auch in ihre Simulationen einfließen lassen. Denn außer der Fehlstellenanzahl in Kristallen, Quasikristallen oder Materialien mit nanokristalliner Struktur untersuchen die Forscher noch viele weitere Vorgänge auf atomarer Ebene. Teilweise werden dabei die atomaren Vorgänge bei Dehnung, Bruch oder Verformung eines Materials am Computer simuliert. Je genauer die Ausgangsdaten sind – und daran arbeiten die Forscher tagtäglich – desto öfter lassen sich reale Experimente durch Simulationen ersetzen, die weniger zeitaufwendig sind und deren Ergebnisse sich leichter auswerten lassen. 

Um jedoch eine zuverlässige Basis für weitere Experimente und vor allem für Simulationen zu schaffen, müssen noch viele Messreihen mit der Positronenlebensdauerspektroskopie durchgeführt werden, beispielsweise Messungen mit Materialien, die entweder bis kurz über den absoluten Nullpunkt abgekühlt oder bis beinahe zum Schmelzpunkt erhitzt worden sind. 
Ist diese Basis erst einmal geschaffen, hoffen die Forscher, die Anzahl dieser Fehlstellen steuern zu können oder ihre Zahl wenigstens konstant gering halten zu können. Dies ist wichtig, da Atome oberhalb einer bestimmten, von Material zu Material unterschiedlichen Temperaturgrenze in diese Fehlstellen springen können und selbst eine Fehlstelle hinterlassen. Somit wandern Fehlstellen durch den Kristall, aber auch Atome können so ihre Plätze verlassen und durch einen Kristall wandern. Man bezeichet diesen Vorgang ebenfalls als Diffusion, und diese selbstständige Atombewegung ist dann ärgerlich, wenn eine bestimmte Ordnung innerhalb eines Systems aufrechterhalten werden soll wie innerhalb einer Solarzelle. Hier vermindert sich die maximale Stromstärke, die erreicht werden kann, wenn sich im Lauf der Jahre die Bor-, und Phosphoratome umverteilen, mit denen das Silizium dotiert ist. Auch setzt diese – durch Fehlstellen ermöglichte –  Wanderung von Atomen der Anzahl von Transistoren auf einem Mikrochip Grenzen. Hier kann man Leiterbahnen und Transistoren momentan nicht viel kleiner machen, da sich sonst durch Verschiebung der Atome die Leitfähigkeit der Bahnen mit der Zeit drastisch verschlechtern würde. Auch auf die Transistoren würde sich bei kleinerer Fabrikation diese Atomverschiebung auswirken.

Damit sich das in Zukunft ändert, müssen erst die grundlegenden Mechanismen zur Entstehung und Verschiebung von Fehlstellen verstanden werden. In einem zweiten Schritt soll dann in einigen Jahren durch Änderungen in den Zusammensetzungen von gängigen Legierungen eine gezielte Steuerung der Fehlstellenanzahl möglich sein und zur Optimierung von Werkstoffen auf mikroskopischer und makroskopischer Ebene beitragen. In enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Metallforschung forschen die Stuttgarter Physiker bereits heute an den Chips und den Solarzellen von morgen ... und benutzen dazu Positronen, die ein wahres Spiel der Kräfte – nämlich das der Abstosßungskräfte zwischen dem geladenen Positron und den positiv geladenen Atomkernen – immer zielstrebig in Richtung von Fehlstellen in Kristallgittern befördert. 
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