Das Zeitlupen-Mikroskop

Gasförmige, flüssige und feste Materie besteht aus Atomen und Mole­külen. Im täg­lichen Leben können wir Atome und Mole­küle nicht einzeln beob­achten, da sie selbst für die besten Licht­mikro­skope tausend­fach zu klein sind. Seit einigen Jahren lassen sich schein­bar ruhende Mole­küle aber mit­hilfe ausge­klügel­ter nicht-opti­scher Mikro­skope, etwa mit Raster­tunnel­mikro­skopen, direkt ab­bilden.

Atome und Moleküle sind jedoch auch in augenscheinlich reg­loser Materie in stän­diger Bewe­gung. Auf der Zeit­skala von Femto­sekunden flitzen, rotieren und vibrieren sie rasant durch ihre atomare Umge­bung. Die Dynamik von Atomen und Mole­külen ist maß­geb­lich dafür verant­wort­lich, wie sich Materie makro­sko­pisch ver­hält. Sie bestimmt chemische Reak­tionen, bio­mole­ku­lare Vor­gänge in Lebe­wesen und wichtige Pro­zesse in der moder­nen Nano­elek­tronik. Ein Traum vieler Forscher ist es daher seit Langem, die Bewe­gung einzel­ner Mole­küle direkt zu sehen. Hier­für wäre ein Mikro­skop nötig, das viele Milli­arden mal schneller als die schnell­sten elek­tro­nischen Kameras ist.

Einer internationalen Forschergruppe an der Uni Regens­burg ist dieser Durch­bruch jetzt gelungen. Das Team um Rupert Huber und Jascha Repp hatte es sich zum Ziel gesetzt, erst­mals bewegte Bilder von einzelnen Mole­külen auf­zu­zeichnen. Dafür haben die Forscher ein einzig­artiges ultra­schnelles Raster­tunnel­mikro­skop ent­wickelt. Das Prinzip der Raster­tunnel­mikro­skopie ähnelt dem eines Platten­spielers: Eine spitze Nadel wird über eine Ober­fläche bewegt, um deren Relief abzu­tasten. Diese Nadel ist so scharf, dass ihre Spitze aus nur einem einzigen Atom besteht. Außer­dem berührt sie die Ober­fläche nicht, sondern schwebt wenige Atom­abstände darüber. Der quanten­mecha­nische Tunnel­effekt ermög­licht es dabei, dass die Spitze als winzige, berüh­rungs­lose Sonde ver­wendet werden kann, um Struk­turen kleiner als ein ein­zelnes Mole­kül zu er­tasten.

Das Zeitfenster, in dem das Tunneln geschieht, sollte dabei – ähn­lich der Belich­tungs­zeit einer Foto­kamera – mög­lichst kurz sein, um hohe Zeit­auf­lösung zu erreichen. Im Prinzip lässt sich dieses Zeit­fenster ein­schränken, indem man die elek­trische Vor­spannung zwischen Spitze und Ober­fläche nur ganz kurz anlegt. Um ganz besonders schnell zu sein, ent­wickel­ten die Forscher einen raffi­nierten Trick: Sie benutzten das elek­trische Träger­feld eines ultra­kurzen Licht­blitzes als Vor­spannung. Inner­halb einer Zeit­spanne, die kürzer ist als eine Halb­schwin­gung von Licht, konnten sie so einzelne Elek­tronen vom Mole­kül auf die Spitze tunneln lassen. Damit wurde es mög­lich, zum ersten Mal einen Femto­sekunden-Schnapp­schuss eines einzel­nen Mole­küls direkt in Raum und Zeit anzu­fer­tigen. Darüber hinaus konnten die Forscher im ersten Femto­sekunden-Zeit­lupen­film eines ein­zelnen Mole­küls ver­folgen, wie ein Pentacen-Mole­kül auf der Ober­fläche schwingt – mit einer Periode schneller als ein Billion­stel einer Sekunde und einer Amplitude von wenigen Hundert­stel eines Ång­ström!

Auf den nun zugänglichen Längen- und Zeitskalen wird die Natur unmit­tel­bar und augen­fällig von den Gesetzen der Quanten­mechanik domi­niert. Die neue Mög­lich­keit, Bewe­gungen von quanten­mecha­nischen Materie­wellen direkt in Ort und Zeit zu sehen und zu kontrol­lieren, dürfte einen Para­digmen­wechsel in der Erfor­schung des Nano­kosmos aus­lösen und künftige Techno­logien, wie etwa super­schneller Licht­wellen-getrie­bene Nano­elek­tronik, inspirieren.

U. Regensburg / RK