Optische Messungen mit atomarer Auflösung
Forschende aus Regensburg und Birmingham überwinden mit der nahfeldoptischen Tunnel-Emission eine fundamentale Grenze der optischen Mikroskopie.
Mit einem kommerziellen Dauerstrichlaser ist es einem deutsch-britischen Team gelungen, das Abbe-Limit auszuhebeln und optische Messungen auf Längenskalen durchzuführen, die mit der Größe einzelner Atome vergleichbar sind. Möglich wird dies durch eine extrem scharfe Metallspitze, die bis auf einen Abstand kleiner als ein Atomradius an die Probenoberfläche angenähert wird. Ein Infrarotlaser beleuchtet das System und konzentriert das Licht in den winzigen Spalt zwischen Spitze und Oberfläche, wodurch die klassische Beugungsgrenze umgangen wird. Die erreichbare räumliche Auflösung entspricht dabei in etwa dem Krümmungsradius des Spitzenapex und liegt typischerweise bei rund zehn Nanometern.
Obwohl dies bereits eine enorme Verbesserung gegenüber konventionellen Fernfeldmethoden darstellt, reicht diese Auflösung noch nicht aus, um atomare Strukturen sichtbar zu machen. Auf der Suche nach der ultimativen Auflösungsgrenze näherten die Forschenden die Spitze schrittweise weiter an die Oberfläche an. Was dann geschah sprengte jegliche Erwartungen der Forschenden: „Bei extrem kleinen Abständen nahm das Signal plötzlich enorm zu“, berichtet Felix Schiegl von der Universität Regensburg. „Zunächst war uns die Ursache vollkommen unklar. Die eigentliche Überraschung kam, als wir feststellten, dass wir Strukturen auf atomarer Längenskala bis hinunter zu etwa 0,1 Nanometern messen konnten.“
Der Schlüssel zum Verständnis dieses Effekts liegt in der Quantenmechanik. Auch wenn sich Spitze und Oberfläche im klassischen Sinn nicht berühren, können Elektronen quantenmechanisch zwischen den Beiden tunneln. Das oszillierende elektrische Feld des infraroten Lichts führt zu einer periodischen Bewegung von tunnelnden Elektronen zwischen Spitze und Probe. Analog zu schwingenden Elektronen in einer Antenne erzeugt diese Bewegung elektromagnetische Strahlung, die Nahfeld-optische Tunnel-Emission (englisch: „Near-Field Optical Tunneling Emission“, NOTE).
„Es ist erstaunlich, dass bereits ein Elektron, das sich nur alle hundert Lichtzyklen über eine Distanz bewegt, die kleiner ist als ein Atomdurchmesser, ein messbares optisches Signal erzeugen kann“, sagt Tom Siday von der Universität Birmingham. Aus diesem emittierten Licht lässt sich die Elektronenbewegung und damit auch Materialeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit mit atomarer Präzision bestimmen.
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„Der entscheidende Punkt ist, dass wir nicht mehr durch die räumliche Ausdehnung des Lichts begrenzt sind“, erklärt Valentin Bergbauer von der Universität Regensburg. „Stattdessen messen wir direkt quantenmechanische Elektronenbewegungen auf atomaren Längenskalen – ein echter Quantensprung, der die Auflösung optischer Mikroskopie im Vergleich zu herkömmlichen lichtbasierten Mikroskopen um nahezu den Faktor hunderttausend verbessert.“
Besonders bemerkenswert ist, dass dieser Effekt mit einem handelsüblichen Dauerstrichlaser beobachtet werden kann. Leistungsstarke und teure ultraschnelle Lasersysteme, die bislang als notwendig galten, sind somit nicht erforderlich. Dadurch wird die Methode technisch einfacher zugänglich und könnte künftig in vielen Laboren weltweit eingesetzt werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass optische Messungen heute in Dimensionen vorstoßen können, die lange als unerreichbar galten. Möglich wird dies durch die präzise Kontrolle atomar scharfer Spitzen. Perspektivisch eröffnet dieser Ansatz neue Möglichkeiten, die Wechselwirkung von Licht und Materie auf der Ebene einzelner Atome zu untersuchen und besser zu verstehen, wie Prozesse auf den kleinsten Skalen die makroskopischen Eigenschaften von Materialien bestimmen. [U Regensburg / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
F. Schiegl et al., Atomic-Scale Optical Microscopy with Continuous-Wave Mid-Infrared Radiation, Nano Lett., online 22. Januar 2026; DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c05319 - Ultrafast quantum physics and photonics (Huber group), Fakultät für Physik, Universität Regensburg
- Metamaterials and Nanophotonics Group (Tom Siday), Physics and Astronomy, University of Birmingham
