Optisches Nanomikroskop

Ein optisches Fernfeldmikroskop mit einer Auflösung im Nanometerbereich haben Forscher an der University of Maryland entwickelt.

Wenn es um die Untersuchung von mikrometergroßen Strukturen oder Details geht, ist das herkömmliche Lichtmikroskop zumeist das Instrument der Wahl. Um ein vergrößertes Bild eines Objektes herzustellen, nutzt das Mikroskop das Fernfeld der vom Objekt ausgehenden Strahlung. Es sammelt das Licht in einem Abstand, der groß ist im Vergleich zu den Abmessungen des untersuchten Bereiches. Man kann dadurch mit einem Blick einen ausgedehnten Bereich des Objektes vergrößert betrachten. Allerdings ist das Auflösungsvermögen des Lichtmikroskops letztlich durch die Wellenlänge des benutzten Lichtes vorgegeben, die bei rund 500 nm liegt.

Will man das Auflösungsvermögen erhöhen, dann kann man auch das optische Nahfeld nutzen, dessen Wellenlänge auch für sichtbares Licht deutlich kleiner sein kann als 500 nm. Um mit der Auflösung in den Bereich von wenigen Nanometern vorzustoßen, greift man zum Elektronenmikroskop oder zum Rastermikroskop. Doch diese Mikroskope wie auch das optische Nahfeldmikroskop bilden ein Objekt nur punktweise ab. Um ein vollständiges Bild zu erhalten, muss man das Objekt aufwendig und zeitraubend abrastern.

Ein optisches Fernfeldmikroskop, das großflächige Bilder erzeugt und trotzdem nanometergroße Details auflösen kann, ist jetzt in den Bereich den Möglichen gerückt. Igor Smolyaninov von der University of Maryland in College Park und seine Kollegen nutzen für ihr neuartiges Mikroskop zwei altbekannte Tatsachen in überraschender Kombination. Zum einen kann man das Auflösungsvermögen eines optischen Mikroskops dadurch erhöhen, dass man das zu untersuchende Objekt in ein transparentes Material mit hohem Brechungsindex (ca. 1,5 für Immersionsöle) einbettet. Dadurch verringert sich die effektive Lichtwellenlänge von 500 nm auf ca. 300 nm, und entsprechend kleine Details werden mit einem solchen Immersionsmikroskop sichtbar.

Wesentlich größere Werte für den Brechungsindex treten auf, wenn Lichtwellen an der Grenzfläche zwischen einem transparenten Medium und einer dünnen Metallschicht an die Plasmaschwingungen der Leitungselektronen im Metall ankoppeln. Es entstehen so genannte Oberflächenplasmonen, die sich in der Grenzfläche ausbreiten. Hat das Licht die richtige Frequenz, dann kommt es zu einer Resonanz: Die Wellenzahl der Plasmaschwingungen wird riesengroß. Entsprechend klein wird die Wellenlänge der Plasmonen. Sie kann Werte von wenigen Nanometern annehmen. Smolyaninov und seine Kollegen haben nun gewissermaßen ein optisches Immersionsmikroskop hergestellt, das mit Hilfe von Oberflächenplasmonen Objektdetails von 60 nm Größe sichtbar machen kann.

Zunächst haben sie ein Glasprisma mit einer 40 nm dünnen Goldschicht bedampft. Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops wurde dann eine Reihe winzige Löcher in die Goldschicht gebohrt, die einen Durchmesser von ca. 100 nm hatten. Die Löcher wurden von oben mit einem Glyzerintropfen bedeckt und von unten durch das Glasprisma mit Laserlicht von 502 nm Wellenlänge beleuchtet. Das Licht regte in der Grenzfläche zwischen der Goldschicht und dem Glyzerin Oberflächenplasmonen von ca. 70 nm Wellenlänge an. Die Plasmaschwingungen waren somit kurzwellig genug, um die Löcher in der Goldschicht sichtbar machen zu können. Man musste die Plasmonen nach getaner Arbeit nur wieder in sichtbares Licht zurückverwandeln.

Normalerweise sind die Oberflächenplasmonen an die Grenzfläche gebunden und bleiben unsichtbar. Treffen sie jedoch auf nanometergroße Unebenheiten in der Metallschicht, dann wandeln sie einen Teil ihrer Energie in Licht um, das daraufhin abgestrahlt wird und beobachtet werden kann. Dies machten sich die Forscher zunutze, um die von den Oberflächenplasmonen abgetasteten Löcher in der Goldschicht sichtbar zu machen. Mit einem über dem Glyzerintropfen positionierten optischen Mikroskop betrachteten sie das gut sichtbare, wenn auch stark verzerrte Bild der Löcher in der Goldfolie. Die noch erkennbaren Details waren achtmal kleiner als die Wellenlänge des benutzten Lichtes.

Der Glyzerintropfen, der lokal einen parabelförmigen Umriss hatte, wirkte dabei wie ein Parabolspiegel für die Oberflächenplasmonen. Mit ihm konnten nicht nur vergrößerte Abbilder der Löcher in der Goldschicht hergestellt werden, die sich dann unter dem Lichtmikroskop betrachten ließen. Die Oberflächenplasmonen ließen sich mit Hilfe des Glyzerintropfens auch fokussieren. Auf diese Weise konnten die Forscher vorgegebene Strukturen verkleinert auf die Goldschicht projizieren, wie man das z. B. bei der optischen Lithographie macht.

Auf vorstrukturierten Oberflächen könnte man Glyzerin- oder Wassertropfen mit nahezu perfektem Umriss ablagern, wodurch sich die optischen Eigenschaften des neuartigen Mikroskops wesentlich verbessern ließen. Lebendes biologisches Material, das in einem Wassertropfen enthalten ist, ließe sich möglicherweise mit Nanometerauflösung untersuchen. Alles was man dazu benötigt, wäre ein einfaches metallbeschichtetes Glasprisma und ein herkömmliches Lichtmikroskop. Hier entspringt das Neue aus der intelligenten Kombination von Altbekanntem.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Igor I. Smolyaninov et al.: Far-field optical microscopy with nanometer-scale resolution based on the in-plane image magnification by surface plasmon polaritons. Phys. Rev. Lett. (im Druck)
  Frühere Version: Igor I. Smolyaninov et al.: Far-field optical microscope with nanometer-scale resolution
  http://arxiv.org/abs/cond-mat/0403276

• Weitere Informationen:
  Homepage von Christopher C. Davis:
  http://www.enee.umd.edu/~davis/
  http://www.ee.umd.edu/LaserLab/

Weitere Literatur:

• Igor I. Smolyaninov: Far-field optical microscope with nanometer-scale resolution based on in-plane surface plasmon imaging
  http://arxiv.org/abs/cond-mat/0405098

• Igor I. Smolyaninov: Surface plasmon toy model of a rotating black hole. New J. Phys. 5, 147 (2003)
  http://www.iop.org/EJ/abstract/1367-2630/5/1/147