Basel/Bochum – Physiker haben eine lichtmikroskopische Technik entwickelt, mit der sie Atome auf der Nanoskala abbilden können. Das neue Verfahren erlaubt es insbesondere, Quantenpunkte in einem Halbleiter-Chip bildlich darzustellen.

Moleküle und Atome, die nur Bruchteile eines Nanometers groß sind, lassen sich mit konventionellen optischen Mikroskopen nicht abbilden. Die maximale Auflösung eines Mikroskops entspricht einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichts. Verwendet man etwa grünes Licht mit einer Wellenlänge von 500 Nanometern, kann ein optisches Mikroskop im besten Fall Objekte in einem Abstand von 250 Nanometer abbilden.

In den vergangenen Jahren ist es Wissenschaftern jedoch gelungen, diese Auflösungsgrenze zu umgehen und Bilder von Strukturen zu machen, die nur wenige Nanometer groß sind. Dazu verwendeten sie Laser verschiedener Wellenlängen.

Mit diesen wird die Fluoreszenz von Molekülen in einem Teil des Präparats angeregt, während sie in den umliegenden Bereichen unterdrückt wird. Damit lassen sich Strukturen wie Farbstoffmoleküle abbilden, die nur wenige Nanometer groß sind. Die Entwicklung dieser sogenannten Stimulated Emission Depletion-Methode (STED) wurde 2014 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet.

Angeregte Atome

Timo Kaldewey von der Universität Basel hat nun in Zusammenarbeit mit Kollegen der Ruhr-Universität Bochum eine ähnliche Technik entwickelt. Wie sie in "Nature Photonics" berichten, ermöglicht dies die Abbildung von nanometergroßen Objekten, insbesondere auch eines quantenmechanischen Zweizustandssystems.

Die Physiker untersuchten sogenannte Quantenpunkte, künstliche Atome in einem Halbleiter, die sich mithilfe der neuen Methode als helle Punkte darstellen ließen. Die Forscher regten dabei die Atome mit einem pulsierenden Laser an, der seine Farbe während jedes Pulses wechselt. Die Fluoreszenz des Atoms wird dadurch an- und ausgeschaltet.

Während die STED-Methode nur bei Molekülen funktioniert, die durch die Anregung des Lasers mindestens vier verschiedene Energieniveaus einnehmen können, funktioniert das neue Verfahren aus Basel auch mit Atomen, die nur zwei Energiezustände haben. Solche Zweizustandssyteme bilden wichtige Modellsysteme für die Quantenmechanik.

Anders als die herkömmliche Methode setzt die neue Technik auch keine Wärme frei – ein großer Vorteil, da freigesetzte Wärme die untersuchten Moleküle zerstören kann. Das Nanoskop eignet sich nach Angaben der Forscher für alle Objekte, die zwei Energieniveaus besitzen so wie echte Atome, kalte Moleküle, Quantenpunkte oder Farbzentren. (APA, 22.1.2018)