Nanoskop macht Quantenpunkte sichtbar
Weiterentwicklung der STED-Mikroskopie für Atome mit nur zwei Energiezuständen.
Einzelne Moleküle und Atome, die nur Bruchteile eines Nanometers groß sind, lassen sich jedoch mit konventionellen optischen Mikroskopen nicht abbilden. Doch in den letzten Jahren ist es Wissenschaftlern gelungen, die klassische Auflösungsgrenze zu umgehen und Bilder von Strukturen zu erzeugen, die nur wenige Nanometer messen. Sie verwenden dazu Laser verschiedener Wellenlänge, mit denen die Fluoreszenz von Molekülen in einem Teil des Präparats angeregt wird, während sie in den umliegenden Bereichen unterdrückt wird. Die Entwicklung dieser Methode – Stimulated Emission Depletion, STED – wurde 2014 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet.
Abb.: Aufnahme von Quantenpunkten in einem Halbleiter: Während bei einem normalen Mikroskop das Bild verschwommen ist (li.), lassen sich mit der neuen Methode (re.) deutlich vier Quantenpunkte erkennen. (Bild: U. Basel)
Timo Kaldewey aus dem Team von Richard Warburton am Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel hat nun in Zusammenarbeit mit Kollegen der Ruhr-Universität Bochum eine ähnliche Technik entwickelt, welche die Abbildung von Nanometer großen Objekten möglich macht, insbesondere auch eines quantenmechanischen Zweizustandssystems. Die Physiker untersuchten Quantenpunkte, die sich mithilfe der neuen Methode als helle Punkte darstellen liessen. Sie regten dabei die Atome mit einem pulsierenden Laser an, der seine Farbe während jedes Pulses wechselt. Die Fluoreszenz des Atoms wird dadurch an- und ausgeschaltet.
Während die STED-Methode nur bei Molekülen funktioniert, die durch die Anregung des Lasers mindestens vier verschiedene Energieniveaus einnehmen können, funktioniert die neue Methode aus Basel auch mit Atomen, die nur zwei Energiezustände haben. Solche Zweizustandssysteme bilden wichtige Modellsysteme für die Quantenmechanik. Anders als bei der STED-Mikroskopie setzt die neue Methode auch keine Wärme frei. „Das ist ein großer Vorteil, da freigesetzte Wärme die untersuchten Moleküle zerstören kann“, erklärt Richard Warburton. „Unser Nanoskop eignet sich für alle Objekte, die zwei Energieniveaus besitzen so wie echte Atome, kalte Moleküle, Quantenpunkte oder Farbzentren.“
U. Basel / JOL
