Stillhalten war gestern

Mikroskopie mit Röntgenstrahlen erfordert eine extrem hohe Qualität der Strahlung. Auch Gerät und Probe dürfen sich während der Aufnahme nicht im Geringsten bewegen. Forscher der Technischen Universität München und des Paul Scherrer Instituts in Villigen (Schweiz), haben nun eine Methode entwickelt, mit der man diese Einschränkungen lockern kann. Mit ihr lassen sich sogar Fluktuationen im Material abbilden. Über ihre Ergebnisse berichtet jetzt das Fachmagazin Nature.

Abb.: Ein Schema des experimentellen Aufbaus. Röntgenstrahlen werden gebündelt und treffen auf ein Testobjekt, das mit Nanometer-Präzision durch den Strahl bewegt wird. Die gestreuten Röntgenstrahlen werden von einem Detektor aufgefangen. Derartige Streubilder werden dann zu einem Bild der Probe 'rekonstruiert'. (Bild: TU München / PSI)

Seit mehr als 100 Jahren heißt es bei jeder Röntgenaufnahme: Stillhalten! Will man Nanostrukturen wie den Aufbau biologischer Zellen, die poröse Struktur von Zement oder Speicherfelder magnetischer Datenträger abbilden, müssen Probe und Röntgenmikroskop daher extrem vibrationsarm sein. Zusätzlich wählen spezielle Filter aus der ankommenden Röntgenstrahlung den Anteil mit den richtigen Eigenschaften aus– zum Beispiel die richtige Wellenlänge.

Andreas Menzel vom PSI und Pierre Thibault von der TU München haben nun eine Analysemethode entwickelt, die trotz Vibrationen oder Fluktuationen zuverlässige Bilder produziert. Die Methode basiert auf einer Technik namens „Ptychographie“. Sie wurde in den 1960er Jahren für die Elektronenmikroskopie entwickelt. Durch die Ergebnisse der Forscher lassen sich nun in einem Bild Effekte voneinander unterscheiden, die von den Lichtanteilen verschiedener Wellenlängen stammen.

Damit ist es möglich, eine ganze Klasse von Objekten abzubilden, die sich bisher kaum untersuchen ließ. „Wir können nicht nur Vibrationen im Mikroskop kompensieren“, sagt Andreas Menzel. „Wir können sogar Fluktuationen der Probe selber charakterisieren, auch wenn sie viel zu schnell sind, als dass wir sie mit einzelnen Momentaufnahmen festhalten könnten.“

Die neue Methode verbindet die Charakterisierung dynamischer Zustände mit hochauflösender Röntgenmikroskopie. Eine mögliche Anwendung besteht darin, die wechselnde Magnetisierung einzelner Bits in magnetischen Speichermedien mit hoher Speicherdichte zu untersuchen. Sichtbar gemacht werden können auch Wechselwirkungen einzelner magnetischer Bits oder ihre thermischen Fluktuationen, die letztlich die Lebensdauer magnetischer Datenspeicherung bestimmen.

„Neben dem Einsatz in bildgebenden Verfahren hat unsere Analyse aber auch eine grundlegende Verwandtschaft zu anderen Fachbereichen offenbart“,  erläutert Pierre Thibault. „Mikroskopie und Wissenschaftsdisziplinen, wie zum Beispiel Quanteninformatik, die bisher als unabhängig galten, können hierbei voneinander profitieren.“

TU München / AH