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News: Nanometer im Nahfeld

Alle Welt forscht zur Zeit besonders gerne nano. Da gibt's Bälle, Drähte, Röhren und vieles mehr. Kleiner ist besser - so die Devise, könnte man meinen. Was nutzen aber die winzigsten Gebilde, wenn es an adäquaten Mitteln zur Betrachtung mangelt? Nun, tatsächlich gibt es auch dort erhebliche Fortschritte, und ein Auflösungsrekord jagt den nächsten. In die illustre Gesellschaft der High-end-Messmethoden könnte sich auch die neuste technische Finesse der bereits etablierten Raman-Spektroskopie einreihen. So gelang es Wissenschaftlern in den USA fast zufällig, eine Technik zu entwickeln, bei der ein tieferer Einblick in das Verhalten von Molekülen im Nanometerbereich kein Traum mehr zu sein scheint.
Die Raman-Spektroskopie ist ein Verfahren, mit dem sich Schwingungen und Rotationen auf molekularer Ebene untersuchen lassen. Es gibt mittlerweile unzählige Variationen, die Grundidee ist jedoch immer dieselbe und stammt bereits aus den 20er Jahren. Dabei wird ein Photon an einem Molekül inelastisch gestreut, das heißt, es gibt Energie ab oder nimmt sie auf. Eine Energieänderung des Photons ist gleichbedeutend mit einem Wechsel der Farbe des reflektierten Lichts. Dessen Spektrum verrät Physikern auf welches Molekül das Photon gestoßen ist, da je nach Verbindung nur ganz bestimmte diskrete Energie-Häppchen möglich sind. Mit der konventionellen Raman-Spektroskopie ist eine Ortsauflösungen im Mikrometerbereich möglich.

Hans D. Hallen von der North Carolina State University und seine Kollegen beobachteten bei Untersuchungen mit einem besonderen Mikroskop, dem Nahfeldmikroskop, ungewöhnliche Schwingungsmuster, die nicht durch die normalen Regeln der Raman-Spektroskopie erklärt werden können (Physical Review Letters vom 6. November 2000, Abstract). Das abbildende System des Nahfeldmikroskops befindet sich sehr dicht über der Probe. In diesem Bereich gelten die klassischen Regeln der Optik nicht mehr. Daraus resultiert auch das hohe Auflösungsvermögen, das deutlich unterhalb der Wellenlänge sichtbaren Lichts liegt. Der geringe Abstand zur Probe wirkt sich darüberhinaus offenbar auf den Raman-Effekt aus. In der normalen Raman-Spektroskopie beeinflusst eine Änderung der Polarisierbarkeit – also das Vermögen, auf ein elektrisches Feld reagieren zu können – während des Streuvorgangs die Kopplung von Lichtquant und Molekül. Im Nahfeld schwächt nun aber eine starke räumliche Änderung des elektrischen Feldes diese Kopplung ab und ändert damit die potentielle Energie der beteiligten Atome. Dieser so genannte Gradient des Feldes wird durch das einstrahlende Licht selbst verursacht. Damit gelingt es, wie mit dem Lichtfleck einer Taschenlampe, das Schwingungsspektrum an einem ganz bestimmten Punkt zu betrachten. "Das hilft, die verschiedenen Schwingungen an der Oberfläche einer Probe ein bisschen besser unterscheiden zu können, als man es vorher konnte", meint Hallen. "Man erhält ein gutes, fast dreidimensionales Bild der Schwingungsmoden."

Die Physiker haben die neue Technik mittlerweile auf den Namen Gradient-Field-Raman Spectroscopy oder kurz GFR getauft. Das Auflösungsvermögen geben sie optimistisch mit einigen Nanometern an. "Mit der Gradient-Field-Raman Spektroscopy können wir uns alle Arten von Nanostrukturen ansehen: Halbleiter, biologische Materialien und nanostrukturierte Proben", schwärmt Hallen. "Wenn man etwas Kleines im Nanometerbereich hat, und man möchte wissen, wie es aufgebaut ist, dann ist diese [Methode] das Mittel der Wahl."

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