Mikroskopie der Zukunft

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-Schiller-Univer­sität Jena und anderen Forschungs­einrich­tungen inno­va­tive Ideen im Bereich mikro­sko­pischer Bild­gebungs­ver­fahren. Im Institut für ange­wandte Physik der Uni Jena nehmen jetzt gleich zwei Forschungs­gruppen ihre Arbeit auf. Sie betreiben in inten­siver Zusammen­arbeit mit Forschungs­gruppen des Fraun­hofer-Instituts für ange­wandte Optik und Fein­mechanik Grund­lagen­forschung auf dem Feld der Quanten­techno­logie und loten deren Poten­ziale für die Mikro­skopie aus.

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-Dichalcoge­niden", erklärt der Forscher. Dieses Material ähnelt Graphen, besteht eben­falls aus Lagen ein­zelner Atome, die dünner als ein Nano­meter sind. „Während Graphen sich durch seine mecha­nischen und elek­tro­nischen Eigen­schaften aus­zeichnet, stechen bei den Über­gangs­metall-Dichalcoge­niden vor allem die photo­nischen Eigen­schaften hervor“, so Eilen­berger. „Sie können sehr stark mit Licht wechsel­wirken, was sie für optische Anwen­dungen äußerst interes­sant macht.“ So können sie beispiels­weise Licht in einem Volumen sammeln, das deutlich geringer ist als die Wellen­länge des Lichts. Mit quanten­techno­lo­gischen Anwen­dungen, die sich diese Eigen­schaften zunutze machen, könnten Mikro­skope etwa besser in den Nano­bereich einer Probe vor­dringen.

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