Labo Online - Analytic, Labortechnik, Life Sciences
Home> Wirtschaft + Wissenschaft> Archiv>

Mikroskopie: Forscher erreichen Auflösung von 30 Nanometern

Meilenstein erreichtMikroskopie: Forscher erreichen Auflösung von 30 Nanometern

Objekte, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge des genutzten Lichts, lassen sich mit der herkömmlichen Lichtmikroskopie nicht betrachten. Ein Forscherteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und der Universität Basel hat es nun geschafft, die Auflösung für die mikroskopische Untersuchung von Festkörpern auf ein Einundreißigstel der Wellenlänge des genutzten Lichts zu vergrößern. Dazu nutzten die Forscher Quantenpunkte, die sie in Festkörper einbetteten. Mithilfe bestimmter Laserpulse lassen sich die darin enthaltenen Elektronen schalten. Über die Ergebnisse berichtet das Journal "Nature Photonics" am 22. Januar 2018.

sep
sep
sep
sep
Labor an der RUB

Die Grenzen der Lichtmikroskopie
Die Lichtmikroskopie kann sehr kleine Strukturen sichtbar machen, aber nur bis zu einer bestimmten Grenze: Sobald die Abmessungen von betrachteten Objekten in etwa so groß sind wie die halbe Wellenlänge des Lichtes, kommt es zu störenden Beugungsphänomenen. Objekte, die weniger als einige Hundert Nanometer voneinander entfernt sind, können nicht mehr separat abgebildet werden. Das Bild wird unscharf, die Objekte verschwimmen zu einem Fleck.

Anzeige

Die Nahfeldmikroskopie umgeht dieses Problem, indem sie das Streulicht eines sehr kleinen Objektes an einer Oberfläche für die Bildgebung nutzt. Wenn das zu beobachtende Objekt jedoch nicht an der Oberfläche liegt, sondern zum Beispiel in einen Festkörper eingebettet ist, konnten Forscher bisher nur mit den beschriebenen Einschränkungen mikroskopieren.

Nobelpreis 2014 für das Unterlaufen der Auflösungsgrenze
Der Göttinger Forscher Stefan Hell konnte diese sogenannte Abbesche Auflösungsgrenze als Erster unterlaufen und wurde dafür 2014 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Er nutzte mehrere Laserpulse verschiedener Form und fluoreszierende Farbstoffmoleküle, die gezielt an- und ausgeschaltet werden können. Das machte es möglich, Objektdetails von biologischen Proben zehnfach besser aufzulösen.

Dem Erstautor der Studie Dr. Timo Kaldewey aus dem Team von Prof. Dr. Richard Warburton an der Universität Basel ist es nun zusammen mit Dr. Arne Ludwig und Sascha Valentin vom Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik der RUB von Prof. Dr. Andreas Wieck nun gelungen, dieses Prinzip auf ein Festkörpersystem mit künstlichen Atomen, sogenannten Quantenpunkten, zu übertragen. Quantenpunkte sind nur rund zehn Nanometer kleine Inseln in Halbleitern, in die sich einzelne Elektronen einsperren lassen. Diese Elektronen können wegen der kleinen Größe nur bestimmte Energieniveaus einnehmen - ähnlich wie in Atomen, in denen Elektronen bestimmte Schalen besetzen.

Zwitschernder Laser
Bei den Farbstoffmolekülen von Stefan Hell war es notwendig, dass die Moleküle in einen langlebigen metastabilen Zustand geschaltet werden. "Das haben wir absichtlich vermieden, indem wir einen kurzen, nur etwa eine Nanosekunde lang lebenden Zustand in den Quantenpunkten untersucht haben", erklärt Arne Ludwig. Dazu war es notwendig, einen optischen Schalter zu entwickeln, der die künstlichen Atome auf Quantenebene kontrolliert. Die Forscher nutzten sogenannte gechirpte Laserpulse, also kurze Pulse, die in der Frequenz geändert werden, analog zum Zwitschern von Vögeln. Allerdings auf einer etwa Hundertmilliarden mal kürzen Zeitskala.

Damit konnten sie eine sogenannte adiabatische Passage initiieren, bei der die Elektronen in den Quantenpunkten das Energieniveau kontrolliert wechselten. Somit hatten sie einen Kontrollschalter auf Quantenebene. Die erreichte Auflösung entsprach einem Einundreißigstel der Wellenlänge des benutzten Lichtes.

Punkte in einen Kristall einbetten
Die Quantenpunkte entwickelten Sascha Valentin und Arne Ludwig in der Gruppe von Andreas Wieck in Bochum. Dazu mussten die Punkte in eine spezielle Kristallmatrix eingebettet werden, sodass sie dem Mikroskop einzelne Photonen mit hinreichend hoher Rate zur Verfügung stellten.

"Mit dem neuen Verfahren haben wir eine Methode entwickelt, Quantenschalter, auch ohne metastabile Zustände, für die Mikroskopie anzuwenden", so Richard Warburton. "Dies hebt das Verfahren der von Stefan Hell entwickelten Mikroskopie auf ein neues Niveau. Nahezu jedes Quantensystem kann auf diese Weise nanoskopisch untersucht werden."

Nebenbei ist der neu entwickelte Schalter eben das: ein Kontrollelement auf Quantenebene und damit ein wichtiger Meilenstein, um künstliche Atome als Quanteninformationseinheiten nutzen zu können.

Förderung: 
Die Arbeiten wurden gefördert vom Initial Training Network S3NANO, dem National Center of Competence in Research QSIT (Quantum Science and Technology), dem Schweizerischen Nationalfonds, Projekte 206021_144979 und 200020_156637, und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung, Q.com-H 16KIS0109.

Originalveröffentlichung: 

Timo Kaldewey, Andreas V. Kuhlmann, Sascha R. Valentin, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Richard J. Warburton: Far-field nanoscopy on a semiconductor quantum dot via a rapid-adiabatic-passage-based switch, in: Nature Photonics, 2017, DOI: 10.1038/s41566-017-0079-y

Anzeige
Diesen Artikel …
sep
sep
sep
sep
sep

Weitere Beiträge zum Thema

Mikroskop alpha300 Ri von Witec

Analytica 2018 – Halle A2, Stand 402Witec präsentiert neues invertiertes konfokales Raman-Mikroskop

Die innovative und leistungsstarke 3D-Raman-Imaging-Technologie von Witec ist jetzt in dem invertierten Mikroskop alpha300 Ri erhältlich.

…mehr
Mikroskopaufnahme von Staphylococcus aureus

BiohysikBeharrliche Winzlinge: Wie krankmachende Bakterien mit Proteinen an den Zielmolekülen ihres Wirtes "kleben"

LMU-Forscher haben den physikalischen Mechanismus entschlüsselt, mit dem sich ein weit verbreiteter Krankheitserreger an sein Zielmolekül im menschlichen Körper bindet. Damit legt die Studie Grundlagen z.B. für die Entwicklung neuartiger Therapien bei Infektionen mit Staphylokokken. 

…mehr
Mikroskopische Aufnahme einer Zelle mit Mitochondrien, Tubulin und Aktin

Wissenschaftliche MikroskopieNachweisgrenze der konfokalen Bildgebung neu definiert

Leica Microsystems stellt mit Lightning ein neues Detektionskonzept für die wissenschaftliche Bildgebung vor. Das TCS SP8 mit neuem "Lightning" extrahiert die maximale Informationen aus jeder Probe.

…mehr
atomaren Beugungsbilder

Sichtbare ElektronenbewegungGeschehnisse im Atom in Echtzeit beobachten

LMU-Physiker haben eine Art Elektronenmikroskop entwickelt, das die Ausbreitung von Licht durch Raum und Zeit sowie die dadurch ausgelösten Bewegungen von Elektronen in Atomen sichtbar macht.

…mehr
Darmkrebszellen

MultiphotonenmikroskopieTiefe Einsichten ins Leben

Das Multiphotonenmikroskop SP8 DIVE (Deep In Vivo Explorer) enthält einige Neuentwicklungen für nichtlineare Mikroskopie, mit denen insbesondere die spektrale Auswahl bei Mehrfach-Färbungen wesentlich einfacher und effizienter gelingt.

…mehr
Anzeige

Mediadaten 2018

LABO Einkaufsführer

Produktkataloge bei LABO

Produktkataloge zum Blättern


Hier finden Sie aktuelle Blätter-Kataloge von Herstellern aus der Branche. Einfach durchblättern oder gezielt nach Stichwort suchen!

Anzeige

LABO Web-Guide 2016 als E-Paper

LABO Web-Guide 2016

Web-Guide 2016


- Stichwortregister

- Firmenscreenshots

-Interessante Webadressen aus dem Labor

Anzeige

Neue Stellenanzeigen

Jetzt den LABO Newsletter abonnieren

LABO Newsletter abonnieren

Der kostenlose LABO Newsletter informiert Sie wöchentlich über neue Produkte, Lösungen, Technologietrends und Innovationen aus der Branche sowie Unternehmensnachrichten und Personalmeldungen.

LABO bei Facebook und Twitter