Schärferer Röntgenblick mit Speziallinsen

Mit neu entwickelten Spezial­linsen erreichen Röntgen­mikroskope erstmals eine Rekord­auflösung im unteren Nanometer­bereich. Die Entwickler um Saša Bajt von Center for Free-Electron Laser Science CFEL am Desy in Hamburg haben mit einer neuen Material­kombination das Design von Multi­layer-Laue-Linsen optimiert und so einen winzigen Röntgen­fokus mit weniger als zehn Nanometern Durch­messer erzeugt. Die Forscher haben die Linsen unter anderem mit Aufnahmen von Meeres­plankton getestet.

Moderne Teilchen­beschleuniger können ultrahelle und qualitativ extrem hoch­wertige Röntgen­strahlung erzeugen. Dank der kurzen Wellen­länge und ihrer hohen Eindring­tiefe eignet sich Röntgen­strahlung hervor­ragend, um komplexe Materialien in feinstem Detail mikro­skopisch zu untersuchen. Das Potenzial der Röntgen­mikroskopie lässt sich allerdings erst mit hocheffi­zienten und möglichst perfekten Röntgen­optiken voll ausnutzen. Trotz der Anstren­gungen von Forscher­teams weltweit hat sich dies als schwieriger erwiesen als vermutet, und die Konstruktion eines Röntgen­mikroskops mit einer Auflösung besser als zehn Nanometer ist nach wie vor eine große Heraus­forderung.

Wegen ihrer besonderen Eigen­schaften lassen sich Röntgen­strahlen nicht so einfach fokussieren wie sicht­bares Licht. Stattdessen sind Spezial­optiken wie die Multilayer-Laue-Linsen (MLL) nötig. Sie bestehen aus abwechseln­den, nanometer­dünnen Schichten zweier unter­schiedlicher Materia­lien. Im Gegensatz zu klas­sischen Linsen beugen MLL die Strahlung nicht, sondern streuen sie wie ein Kristall. Die Kunst dabei ist, die Röntgen­linse so aufzubauen, dass sie möglichst viel der einfallenden Röntgen­strahlung auf einen möglichst kleinen Punkt konzentriert. Dazu muss nicht nur die Schichtdicke exakt kontrol­liert werden, die Dicke und vor allem die Ausrichtung der Schichten müssen sich über die Linse auch konti­nuierlich ändern. Die Größe des Röntgen­fokus hängt dabei von der Dicke der dünnsten Schicht ab.

Die Spezial­linsen werden üblicherweise mit Sputter-Verfahren erzeugt, bei dem das Baumaterial zunächst zerstäubt wird und sich dann auf einem Substrat absetzt. So lassen sich Schichten genau kontrol­lierter Dicke erzeugen. Um die erfor­derliche Präzision und die besonderen Linsen­eigen­schaften zu erreichen, hatte Bajts Team eine spezielle Sputter-Technik entwickelt und die Eigen­schaften der Linsen­materialien genau untersucht, die sich oft mit der Linsen­dicke ändern. Mit einer Material­kombination aus Wolfram­karbid und Silizium­karbid erzeugten die Forscher nun Linsen mit mehr als zehntausend abwechselnden Schichten. „Die Wahl des richtigen Material­paars war entscheidend für den Erfolg“, erläutert Bajt. „Das schließt andere Material­kombinationen zwar nicht aus, aber diese ist definitiv die beste, die wir kennen.“

Um einen Röntgen­strahl in hori­zontaler und verti­kaler Richtung zu fokussieren, sind zwei Linsen nötig, die recht­winklig zueinander stehen. Mit dieser Anordnung konnte das Forscherteam einen Röntgen­fokus von nur 8,4 Nanometern mal 6,8 Nano­metern Größe an der Hard-X-ray-Nanoprobe-Mess­station der US-Röntgenstrahlungsquelle National Synchrotron Light Source II (NSLS II) am Brookhaven National Laboratory BNL erzeugen. Die Fokusgröße bestimmt die räumliche Auflösung eines Röntgen­mikroskops, und die neuen Linsen ermöglichen so eine mindes­tens fünfmal bessere Auflösung als heute übliche Linsen. „Wir haben den weltweit kleinsten Röntgen­fokus mit hoch­effizienten Linsen erzeugt“, betont Bajt. Die Effizienz ist ein Maß dafür, wie gut eine Linse auf die Strahlung wirkt. Röntgen­strahlung würde normaler­weise durch die Linsen­materialien nahezu ungehindert hindurch­laufen. Eine Heraus­forderung lautet daher, solche Linsen­strukturen herzustellen, die eine möglichst starke Wechsel­wirkung mit der Röntgen­strahlung erzeugen und möglichst viel der Strahlung in den Brennpunkt diri­gieren. Die neuen Linsen erreichen eine Effi­zienz von mehr als 80 Prozent. Dieser hohe Wert illustriert den Grad an Präzision, den die Wissen­schaftler in der Produktion der nötigen Nano­strukturen erreicht haben.

Diese Präzision ermöglicht nun Projektions­bilder über einen weiten Bereich von Vergrößerungs­faktoren, wie Tests der neuen Linsen belegen. An der Mess­station P11 der hoch­brillanter Röntgen­quelle PETRA III am Desy zeichneten die Forscher dabei hochauf­lösende Röntgen­hologramme winziger Strahlen­tierchen (Radiolarien) und Kiesel­algen (Diatomeen) aus dem Meeres­plankton auf. Die unter­suchten Strahlen­tierchen sind Einzeller aus der Klasse der Acan­tharia und die einzigen bekannten Orga­nismen, die ihr Skelett aus dem Mineral Strontium­sulfat aufbauen. Die ebenfalls von Bajts Team unter­suchten Kiesel­algen haben kompliziert struk­turierte Schalen, die extrem stabil und leicht zugleich sind. Sie bestehen aus nanostruk­turierter Kieselsäure, die bisher in zweidimen­sionalen Analysen mit Elektronen­mikroskopen untersucht wurde. Höchstwahr­scheinlich wegen dieser Struk­turierung ist die Festigkeit der Kiesel­säure außerge­wöhnlich hoch – zehnmal höher als die von Baustahl – obwohl sie bei niedrigen Temperatur- und Druckbe­dingungen hergestellt wird.

„Wir hoffen, dass die neuartigen Röntgen­optiken uns bald ermög­lichen werden, diese Nano­strukturen in 3D zu untersuchen“, sagt Meeres­forscher Christian Hamm vom Alfred-Wegener-Institut in Bremer­haven, der die Plankton­proben zur Verfügung gestellt hat. „Das kann uns helfen, die enorme mechanische Belast­barkeit dieser Schalen zu modellieren und zu verstehen und mit diesem Wissen neue, umwelt­freundliche und leistungs­fähige Materialien zu entwickeln.“ Die neuen Linsen eignen sich für eine Vielzahl von Anwen­dungen, von der Bildgebung mit Nano­meter-Auflösung bis zur Röntgen­spektro­skopie. „Diese MLL eröffnen viele neue Möglich­keiten in der Forschung mit Röntgen­strahlung. Sie lassen sich für verschie­dene Energien und auch für kohä­rente Quellen wie Freie-Elektronen-Röntgen­laser herstellen“, erläutert Bajt. „Da wir jetzt wissen, wie wir das Linsen­design optimieren können, ebnet unsere Arbeit den Weg, um letzt­endlich das Ziel einer Auflösung von einem Nanometer in der Röntgen­mikroskopie zu erreichen.“

DESY / JOL