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News: Nanolupe für Kristallschwingungen

Wärme drückt sich in fester Materie durch winzige Schwingungen der Atome um ihre Ruhelage aus. Ein neuartiges Mikroskop macht nun auf winziger Skala wahre Erschütterungen des Kristalls durch einfallende Infrarotstrahlung sichtbar.
Phonon-ResonanzLaden...
Die Faszination für so manchen Kristall rührt nicht zuletzt von seinem charakteristischen Glanz – also der Art und Weise, wie er Licht reflektiert. Dabei werfen viele Kristalle sogar weit außerhalb der sichtbaren Wellenlängen des Spektrums – im infraroten Bereich – Licht vollständig wie ein metallischer Spiegel zurück. Das liegt an den Schwingungen, welche die Atome des Kristalls aufgrund seiner Temperatur vollziehen: Sie lassen infrarotes Licht nicht in das Material eindringen und reflektieren es stattdessen.

Extrem wird dieses Verhalten, wenn die Frequenz des infraroten Lichts gerade die Resonanzfrequenz des Kristallgitters trifft. Dann – so die Theorie – sollte das Material noch heller erstrahlen und zwar in allen Farben, nicht nur in der des einfallenden Infrarotlichts. Dieses resonanzhafte Zusammenspiel zwischen Schwingungen und Infrarotstrahlung hatten Wissenschaftler schon früher vorausgesagt, bislang war es ihnen aber nicht gelungen, es auch wirklich sichtbar zu machen. Das schafften nun aber Rainer Hillenbrand, Thomas Taubner und Fritz Keilmann vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried.

Dazu beleuchteten die Wissenschaftler einen Siliciumcarbid-Kristall mit Infrarotlicht einer Wellenlänge zwischen acht und zwölf Mikrometer und betrachteten ihn dabei in ihrem so genannten "Nahfeldmikroskop". Bereits vor drei Jahren hatten sie die Technik eines herkömmlichen Rastersondenmikroskops mit Infrarotbeleuchtung ergänzt und bewiesen, dass damit bis zu hundertmal feinere Details zu erkennen sind, als es das Lehrbuch erlaubt: nämlich ein Hundertstel der jeweiligen Wellenlänge.

So gestattete es die Infrarottechnik, erstmals die chemische Zusammensetzung auf nanometrischer Skala abzubilden. Beim Rastersondenmikroskop wird eine gerade einmal 20 Nanometer breite Abtastnadel in minimalem Abstand rasterartig über eine Kristalloberfläche bewegt. Auf diese Weise erfasst sie die Höhen und Tiefen der Oberfläche und erstellt im Computer ein dreidimensionales Oberflächenrelief des Kristalls.

Wie bereits vor drei Jahren kombinierten nun die Wissenschaftler auch in ihrem neuesten Mikroskop die Abtastnadel des Rastersondenmikroskops mit den Infrarotstrahlen von Lasern. Die Nadel wirkte dabei für das eingestrahlte Infrarotlicht wie eine Art Antenne, die das Licht an ihrer Spitze stark bündelt – bis zu 300-mal schärfer als die beste Sammellinse. Die Resonanz der Schwingungen zeigte sich dann im reflektierten Infrarotlicht, das von einem Detektor aufgefangen wurde. Denn trifft der Laserstrahl die Frequenz der Kristallschwingung, wird die Lichtkonzentration extrem verstärkt. Und während der Kristall bei Infrarotbeleuchtung normalerweise metallisch glänzt, leuchtet er im Nano-Zoom hell und "farbig" auf.

Mit ihrem Experiment hat die Arbeitsgruppe so erstmals den praktischen Beweis für die so genannte Phonon-Resonanz geliefert. Als die Forscher ihre Berechnungen mit bisherigen Veröffentlichungen zu diesem Thema verglichen, stellten sie fest, dass die Phonon-Resonanz bereits vor 19 Jahren von den Wissenschaftlern der University of California in Santa Barbara vorhergesagt worden war.

Die gesteigerte Lichtintensität ermöglicht nun, in Kristallen kleinste Veränderungen – sei es durch Verzerrung oder Verschmutzung – bei einer Auflösung von nur zehn Nanometern sichtbar zu machen. Zum Vergleich: Ein herkömmliches Lichtmikroskop kann Strukturen bis zu einem Mikrometer sichtbar machen.

Dies eröffnet interessante Aussichten für die Materialwissenschaften und die Mineralogie: Während man bisher nur wenig aussagekräftige breite Infrarotspektren zur Verfügung hatte, sollte man im Nahfeld-Infrarotmikroskop bei zehn Nanometern Auflösung einzelne Komponenten von Mischkristallen, zum Beispiel in Ölschiefer und Meteoriten, deutlich unterscheiden können.

Weitere Anwendungen zeichnen sich bei der Untersuchung von Kristallwachstum und Kristalldegeneration in biologischen Mineralien ab, wie zum Beispiel in Zähnen oder Knochen (Osteoporose). Zudem bietet die Kombination der Phonon-Resonanz mit der Nahfeldmikroskopie auch neue Möglichkeiten für die Datenspeicherung: Im Vergleich zu konventionellen optischen Leseverfahren wie beispielsweise der CD-ROM oder DVD können Daten mit hundertmal größerer Speicherdichte ausgelesen werden.

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