Durchbruch in der optischen Mikroskopie:
Jetzt werden Atome sichtbar

Forschern ist es gelungen, die physikalischen Grenzen der optischen Mikroskopie zu überwinden. Mit einer neuen Technik gelang es ihnen, Vergrößerungen zu erzeugen, durch die man Atome sichtbar machen kann.

Beugungslimit ausgetrickst

Seit jeher eröffnen Mikroskope den Wissenschaftlern einen Blick auf die verborgene Welt der Zellen, Viren und Nanostrukturen. Doch selbst modernste optische Mikroskope stoßen an eine physikalische Grenze: das sogenannte Beugungslimit. Dieses verhindert, dass Strukturen kleiner als etwa 200 Nanometer - also weit größer als ein Atom - scharf abgebildet werden können.

Ein internationales Forschungsteam hat diese Hürde nun überwunden. Mit einer neuartigen Technik namens ULA-SNOM (ultraniedrig-amplitudige, streuende Nahfeldmikroskopie) gelang es, erstmals optische Aufnahmen mit atomarer Auflösung zu erzeugen. Die Methode erlaubt es, das Verhalten von Licht auf der Ebene einzelner Atome sichtbar zu machen - eine bisher undenkbare Leistung für optische Verfahren, die bislang nur mit Elektronenmikroskopen möglich war.


Grundlage der Innovation ist eine Weiterentwicklung des sogenannten s-SNOM-Verfahrens. Dabei tastet eine winzige Metallspitze - in diesem Fall aus hochpräzise bearbeitetem Silber - die Oberfläche eines Materials ab, während sie von einem Laser beleuchtet wird. Bei ULA-SNOM kam jetzt eine wichtige Neuerung hinzu: Die Spitze oszilliert mit einer Amplitude von nur 0,5 bis 1 Nanometer - etwa der Durchmesser von drei Atomen. Dadurch können feinste Strukturen erkannt werden, ohne dass das optische Signal verloren geht.

Ein roter Laser mit einer Wellenlänge von 633 Nanometern erzeugt ein winziges Lichtfeld - eine sogenannte plasmonische Kavität - zwischen Spitze und Oberfläche, das auf ein Volumen von nur einem Kubiknanometer komprimiert ist. Das gesamte Experiment wurde bei -265 °C im Ultrahochvakuum durchgeführt, um Erschütterungen und Störungen zu vermeiden.

Vorerst in Spezial-Laboren

In Tests konnten die Forscher atomdünne Siliziuminseln auf einer Silberoberfläche sichtbar machen - inklusive klarer optischer Kontraste zwischen beiden Materialien. Weiterhin konnte die Apparatur auch elektrische Leitfähigkeit und mechanische Kräfte messen, was zusätzliche Einblicke auf atomarer Ebene ermöglicht.

Das Verfahren eröffnet neue Perspektiven für die Materialforschung, Quantenphysik und Nanotechnologie. Anwendungen reichen von der Entwicklung effizienterer Solarzellen über neue photonische Werkstoffe bis hin zur Analyse biologischer Moleküle. Noch ist ULA-SNOM nur in spezialisierten Laboren einsetzbar. Doch mit weiteren Verbesserungen könnte diese Technik die optische Mikroskopie auch für eine breitere Nutzerschaft verbessern. Die Forschungsarbeit wurden in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.


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