Nanoskop macht Quantenpunkte sichtbar

  • 23. January 2018

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)

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

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