Lichtmikroskop macht atomare Fehlstellen sichtbar

Die Stimulated Emission Depletion-Mikroskopie lässt die Beugungsgrenze weit hinter sich

Früher galt es als ausgemacht, dass man mit einem Lichtmikroskop zwei Objektdetails nur dann voneinander unterscheiden kann, wenn ihr Abstand mindestens halb so groß ist wie die Wellenlänge des benutzten Lichtes. Über diese Beugungsgrenze hat sich schon die Nahfeldmikroskopie hinweggesetzt. Und auch im Fernfeld wird mit der von Stefan Hell entwickelten Stimulated Emission Depletion- (STED-) Mikroskopie eine optische Auflösung weit unterhalb der Beugungsgrenze erreicht. Jetzt haben Hell und seine Kollegen vom MPI in Göttingen atomare Fehlstellen in Diamanten mit einer Auflösung von 6 nm abgebildet – bei einer Wellenlänge von 600 nm!

Es handelte sich um Stickstofffehlstellen im Diamantkristall, bei denen ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom ersetzt ist und ein benachbarter Gitterplatz unbesetzt bleibt. Solche Fehlstellen enthalten zwei ungepaarte Elektronen mit Gesamtspin 1. Befinden sich im Diamantkristall zwei C-13-Atome in der Nähe einer N-Fehlstelle, so kann man die Kernspins mit Hilfe des Fehlstellenspins z. B. in einen verschränkten Quantenzustand bringen, wie die Gruppe von Jörg Wrachtrup an der Universität Stuttgart gezeigt hatte. Die N-Fehlstellen sind also für eine Quanteninformationsverarbeitung interessant. Darüber hinaus zeigen sie auch Fluoreszenz. Dadurch wird es möglich, diese Farbzentren mit dem STED-Mikroskop sichtbar zu machen.

Wird solch eine N-Störstelle mit grünem Laserlicht bestrahlt, geht sie aus dem Grundzustand in ein Vibrationsniveau eines angeregten Zustands über. Ein Teil der Vibrationsenergie wird strahlungslos abgegeben, dann geht die Fehlstelle innerhalb von 11,6 ns in den Grundzustand zurück. Dabei strahlt sie oranges Fluoreszenzlicht ab. Die Abbildung der Fehlstelle mit diesem Licht unterliegt aber der klassischen Beugungsgrenze. Um diese Grenze zu durchbrechen, überlagerten Stefan Hell und seine Kollegen dem grünen Laserlicht einen intensiven roten Laserstrahl, der in seinem Zentrum ein Loch mit nahezu verschwindender Intensität hatte.

Wurde eine angeregte Fehlstelle vom roten Licht getroffen, so erfolgte umgehend stimulierte Emission und die Fehlstelle ging in ein Schwingungsniveau des Grundzustandes über. In diesem „dunklen“ Zustand verblieb sie zunächst, bis sie wieder in das niedrigste Schwingungsniveau zurückkehrte und an der Fluoreszenz teilnehmen konnte. Traf der rote Laserstrahl die angeregte Fehlstelle hingegen mit seinem dunklen Zentrum, so kam es nicht zur stimulierten Emission und die Fehlstelle konnte weiter fluoreszieren. Das Fluoreszenzleuchten der Fehlstelle wurde durch den roten Laserstrahl gewissermaßen auf einen kleineren Bereich eingeschränkt. Wenn der Diamantkristall mit dem grün-roten Doppelstrahl abgerastert wurde, leuchteten die Fehlstellen nur auf, wenn sie genau im dunklen Zentrum des roten Strahls lagen. Unter dem Mikroskop erschienen die Fehlstellen als 6 nm große Scheibchen, deren Zentren sich auf 0,1 nm genau bestimmen ließen.

Das STED-Mikroskop eröffnet viele weitere Möglichkeiten. So könnte man auch dreidimensionale Bilder mit Nanometerauflösung in Blickrichtung machen. Ein lokales Magnetfeld am Ort der Fehlstelle ließe sich über seine Wirkung auf die Fluoreszenzstrahlung bestimmen. Auch Störstellen in anderen Kristallen könnte man untersuchen. Doch eines steht schon jetzt fest: Das STED-Mikroskop hat seine Auflösungsgrenze noch längst nicht erreicht.

RAINER SCHARF


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Eva Rittweger et al.: STED microscopy reveals crystal colour centres with nanometric resolution. Nature Photonics, published online 22.2.2009
  http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2009.2
  http://www.mpibpc.mpg.de/groups/hell/publications/pdf/Nature_Phortonics_10.1038_NPHOTON.2009.2.pdf (frei)
• Gruppe von Stefan Hell am MPI für Biophysikalische Chemie in Göttingen:
  http://www.mpibpc.mpg.de/groups/hell/
  

Weitere Literatur:

• Stefan W. Hell: Nanoskopie mit fokussiertem Licht. Physik Journal, 12/2005, S. 47
  http://www.mpibpc.mpg.de/groups/hell/publications/pdf/Physik_Journal_6_12-47-53.pdf

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