08 Apr. Atomare Auflösung in der optischen Mikroskopie
Beim Blick in immer kleinere Dimensionen stößt die Optik an eine grundlegende Grenze: das Licht selbst. Da sich Licht wie eine Welle verhält, lässt es sich aufgrund von Beugung nicht beliebig stark fokussieren. Herkömmliche optische Mikroskope können deshalb keine Strukturen auflösen, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Damit blieb beispielsweise die direkte optische Beobachtung der elementaren Bausteine der Materie bislang außerhalb der erreichbaren Möglichkeiten.
Forschenden aus von der Universität Regensburg und Birmingham ist es nun nach eigenen Angaben erstmals gelungen, optische Messungen mit atomarer Auflösung durchzuführen. Dafür verwendete das Team einen kommerziellen Dauerstrichlaser in Kombination mit einer extrem scharfen Metallspitze, die bis auf einen Abstand kleiner als ein Atomradius an die Probenoberfläche angenähert wird. Ein Infrarotlaser beleuchtet das System und konzentriert das Licht in den Spalt zwischen Spitze und Oberfläche, wodurch die klassische Beugungsgrenze umgangen wird. Die erreichbare räumliche Auflösung entspricht dabei in etwa dem Krümmungsradius des Spitzenapex und liegt typischerweise bei rund 10 Nanometern.
Nun näherten die Forschenden die Spitze schrittweise an die Oberfläche an. „Bei extrem kleinen Abständen nahm das Signal plötzlich enorm zu“, berichtet Felix Schiegl von der Universität Regensburg. „Die eigentliche Überraschung kam, als wir feststellten, dass wir nun Strukturen auf atomarer Längenskala bis hinunter zu etwa 0,1 Nanometern messen konnten.“ Valentin Bergbauer von der Universität Regensburg erklärt: „Der entscheidende Punkt ist, dass wir nicht mehr durch die räumliche Ausdehnung des Lichts begrenzt sind. Stattdessen messen wir direkt quantenmechanische Elektronenbewegungen auf atomaren Längenskalen – ein echter Quantensprung.“
Elektronenschwingung erzeugt atomare Auflösung
Der Schlüssel zum Verständnis dieses Effekts liegt in der Quantenmechanik: Elektronen können quantenmechanisch zwischen Spitze und Oberfläche tunneln. Das oszillierende elektrische Feld des infraroten Lichts führt zu einer periodischen Bewegung von tunnelnden Elektronen zwischen Spitze und Probe. Analog zu schwingenden Elektronen in einer Antenne erzeugt diese Bewegung elektromagnetische Strahlung, die sogenannte Nahfeld-optische Tunnelemission. Bereits ein Elektron, das sich nur alle hundert Lichtzyklen über eine Distanz bewegt, die kleiner ist als ein Atomdurchmesser, erzeugt ein messbares optisches Signal, erklärt Dr. Tom Siday von der Universität Birmingham. Aus diesem emittierten Licht lässt sich die Elektronenbewegung und damit auch Materialeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit mit atomarer Präzision bestimmen.
Nur einfacher Dauerstrichlaser notwendig
Besonders bemerkenswert ist laut den Forschenden, dass dieser Effekt mit einem handelsüblichen Dauerstrichlaser beobachtet werden kann. Leistungsstarke und teure ultraschnelle Lasersysteme, die bislang als notwendig galten, sind somit nicht erforderlich. Dadurch wird die Methode technisch einfacher zugänglich. Nach Angaben der Forschenden kann dieser Ansatz neue Möglichkeiten eröffnen, die Wechselwirkung von Licht und Materie auf der Ebene einzelner Atome zu untersuchen und besser zu verstehen, wie Prozesse auf den kleinsten Skalen die makroskopischen Eigenschaften von Materialien bestimmen.
Originalveröffentlichung
Felix Schiegl, Valentin Bergbauer, Svenja Nerreter, Valentin Giessibl, Fabian Sandner, Franz J. Giessibl, Yaroslav. A. Gerasimenko, Thomas Siday, Markus A. Huber und Rupert Huber: Atomic-Scale Optical Microscopy with Continuous-Wave Mid-Infrared Radiation;
In: Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c05319]Quelle: www.uni-regensburg.de
Bildunterschrift:
Künstlerische Darstellung des mikroskopischen Mechanismus der nahfeldoptischen Tunnel-Emission. Bild: Brad Baxley / PtW