Mikroskopie der Zukunft
Zwei neue Forschungsgruppen zur Quantentechnologie an der Universität Jena.
In der Entwicklung der modernen Mikroskopie spielt Jena eine bedeutende Rolle. Der Faden, den Carl Zeiß und Ernst Abbe in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts aufgenommen haben, reicht bis in die Gegenwart – junge Nachwuchswissenschaftler verfolgen an der Friedrich-
Abb.: Frank Setzpfandt koordiniert eine der beiden neuen Forschungsgruppen. Bei FOQUOS steht die Erforschung von Abbildungen mit Quantenlicht im Mittelpunkt. (Bild: J.-P. Kasper, FSU)
Die Gruppe NanoScopeFutur-2D unter der Leitung von Falk Eilenberger wird in den kommenden fünf Jahren vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit insgesamt 2,5 Millionen Euro gefördert. „Gemeinsam mit vier Kollegen widmen wir uns Übergangsmetall-
Zudem lassen sich Lichtquellen entwickeln, die anstatt Farbstoffen für die Fluoreszenzmikroskopie zum Einsatz kommen könnten. Während dieses Bildgebungsverfahrens beobachten Wissenschaftler zum Beispiel die Prozesse, die innerhalb einer Zelle ablaufen. Dabei werden fluoreszierende Stoffe innerhalb der Zelle durch das Bestrahlen mit Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt und senden Licht mit einer anderen Wellenlänge zurück. So entsteht ein Bild der Zelle. Allerdings zerstören die bisher üblichen organischen Moleküle die Zelle relativ schnell, da sie zu Giftstoffen zerfallen. Stoffe auf Basis der Übergangsmetalle könnten das verhindern und längere Prozesse abbilden, wie sie etwa von Entwicklungsbiologen beobachtet werden. „Allerdings sind das bisher theoretische Vermutungen – in den kommenden fünf Jahren wollen wir deshalb erst einmal mehr über das vielversprechende Material und seine photonischen Eigenschaften erfahren“, sagt Eilenberger.
Die Gruppe FOQUOS, koordiniert von Frank Setzpfandt, besteht aus Forschern der Uni Jena und der TU Ilmenau und wird von der Thüringer Aufbaubank mit 700.000 Euro aus Mitteln des Freistaats Thüringen und des Europäischen Sozialfonds für die kommenden drei Jahre unterstützt. Hierbei steht die Erforschung von Abbildungen mit Quantenlicht im Mittelpunkt. „Quantenmechnisch verschränkte Photonen treten immer paarweise auf – und dieser besondere Umstand lässt sich möglicherweise auch für die Mikroskopie nutzen“, erklärt Setzpfandt. „Man beleuchtet beispielsweise eine Probe mit einem Photon und detektiert auf der anderen Seite, ob es die Probe durchdrungen hat. Mit einem zweiten Detektor findet man den Punkt, an dem das zweite Photon entstanden ist. Da die beiden Photonen nur zusammen auftreten, lässt sich daraus ableiten, wo das erste Photon die Probe getroffen hat. Korreliert man diese Informationen, lässt sich ein Bild der Probe erstellen, ohne dass eine Kamera die eigentliche Probe beobachtet hat.“
Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Photonen unterschiedliche Wellenlängen aufweisen können. Das erste könnte im sichtbaren Bereich liegen, während sich die Wellenlänge des zweiten im mittleren Infrarotbereich bewegt, was Kameras nur schwer erfassen. „So lassen sich die Eigenschaften der Probe in diesem Wellenlängenbereich messen. Gerade im mittleren Infrarotbereich hinterlassen mitunter wichtige biologische und chemische Prozesse Signaturen, die wir so erkennen und darstellen könnten“, sagt Setzpfandt. „Die Idee, ein Mikroskop zu bauen, dass für die Optoelektronik eine bestimmte Wellenlänge hat und für die Interaktion mit der Probe eine ganz andere, bricht mit vielen physikalischen Selbstverständnissen – und es ist spannend zu sehen, welche grundlegenden Informationen wir in den kommenden Jahren sammeln können.“
Denn auch wenn sie ein großes Interesse daran haben, ihre Arbeit in Anwendungen münden zu lassen, betonen die beiden Wissenschaftler, dass sie noch ganz am Anfang stehen und auch Grundlagenforschung betreiben. Die Bedingungen dafür seien in Jena perfekt. „Als experimentierender Physiker steht mir hier ein Maschinenpark zur Verfügung, an dem sich alle notwendigen optischen und nanoskopischen Analyseverfahren durchführen lassen“, sagt Eilenberger. „Und diese Verbindung zwischen Grundlagen und Anwendungen, die hier allgegenwärtig ist, macht durchaus auch die Philosophie von Abbe und Zeiß immer wieder spürbar.“
FSU / RK