Eigenschaften von Nano-Lichtfeldern sichtbar machen

Methode zur Vermessung nano-strukturierter Lichtfelder entwickelt

Physiker und Chemiker der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster konnten ein sogenanntes nano-tomographisches Messverfahren entwickeln, das die unsichtbaren Eigenschaften von Nano-Lichtfeldern im Fokus einer Linse „sichtbar“ macht. Ein solches Verfahren kann z.B. dabei helfen, Nano-Lichtfelder als Werkzeug für die Materialbearbeitung, optische Pinzetten oder hochauflösende Bildgebung zu nutzen. 

Eine Monoschicht organischer Moleküle wird in das fokussierte Lichtfeld eingebracht, das bei Beleuchtung mit dem Nano-Lichtfeld eine charakteristische Antwort in Form von Fluoreszenz aussendet. © Pascal Runde

Strukturiertes Laserlicht kommt bereits heute in vielen Anwendungen vor: Es kann Material präziser schneiden, kleinste Partikel oder Zellkompartimente fangen und bewegen oder eine höhere Datenrate in der nächsten Computer-Generation ermöglichen.

Fokussiert man strukturierte Lichtstrahlen durch eine starke Linse, entstehen – ähnlich wie bei einer Lupe als Brennglas – dreidimensionale Lichtstrukturen, die dazu führen, dass sich die Auflösung bei allen Anwendungen enorm verbessert. Derartige intensive Lichtfelder ebneten bereits den Weg zu bahnbrechenden Anwendungen wie der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten STED-Mikroskopie.

Allerdings konnten diese Nano-Lichtfelder selbst bisher nicht vermessen werden, da sie durch die starke Fokussierung Lichtkomponenten enthalten, die für gewöhnliche Messmethoden unsichtbar sind. Dieser Mangel an geeigneten Messverfahren behindert bis heute den erwarteten Durchbruch der Nano-Lichtfelder, um sie als Werkzeug für die Materialbearbeitung, optische Pinzetten oder hochauflösende Bildgebung anzuwenden.

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Expertise aus Nanooptik und organischer Chemie kombiniert

Einem Team um Physikerin Prof. Dr. Cornelia Denz vom Institut für Angewandte Physik und Chemiker Prof. Dr. Bart Jan Ravoo vom Center for Soft Nanoscience (SoN) der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) ist es nun gelungen, ein nano-tomographisches Messverfahren zu entwickeln, das die unsichtbaren Eigenschaften der Nano-Lichtfelder im Fokus einer Linse „sichtbar“ macht – ohne aufwändige numerische Interpretations- und Auswertungsverfahren. Hierfür hat das Team die Expertise in der Nanooptik und der organischen Chemie miteinander kombiniert, um ein Verfahren zur optischen Nano-Tomographie auf Basis einer Monoschicht organischer Moleküle zu realisieren. Diese Schicht wird in das fokussierte Lichtfeld eingebracht und sendet bei Beleuchtung mit dem Nano-Lichtfeld eine charakteristische Antwort in Form von Fluoreszenz aus, die alle Informationen über die sonst unsichtbaren Eigenschaften enthält.

Durch die Detektion dieser Antwort ist die eindeutige Identifikation des Nano-Lichtfeldes mit nur einer Kameraaufnahme schnell und unkompliziert möglich. „Das Verfahren macht das bisher ungenutzte Potenzial dieser Lichtstrukturen für viele weitere Anwendungen zugänglich“, betont Studienleiterin Cornelia Denz. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Förderung:
Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung durch den Exzellenzcluster "Cells in Motion" und den DFG-geföderten Transregio-Sonderforschungsbereich 61 "Multilevel Molecular Assemblies - Structure, Dynamics and Function", beide an der Universität Münster.

Originalpublikation:
E. Otte et al. (2019): Polarization nano-tomography of tightly focused light landscapes by self-assembled monolayers. Nature Communications; DOI: 10.1038/s41467-019-12127-3

Quelle: Westfälische Wilhelms-Universität Münster

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