Optik: Super-Tiefblick

Schon der Physiklehrer unterrichtete: Alles hängt vom Lichte der Betrachtung ab - nur die Strukturen lassen sich scharf abbilden, die wenigstens halb so groß sind wie die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Dass dies jedoch umgangen werden kann, zeigen neueste optische Entwicklungen, die scharfe Einblicke in die Tiefen der Nanowelt ermöglichen.

Antje Heidemann

Strukturierte Goldfolie — © Max-Planck-Institut für Biochemie (Ausschnitt)

"Ich glaub' das erst, wenn ich's mit eigenen Augen sehe!" Menschen wollen alles ganz genau angucken, um sich von irgendetwas überzeugen zu lassen. Ein Foto oder Film genügen schon oft. Was aber, wenn die sehenswerten Objekte nur einige Nanometer groß sind?

Mit bloßem Auge kommt man da nicht weit. Aber selbst normale Lichtmikroskope sind in ihrer Auflösung auf den Mikrometerbereich beschränkt – und zwar durch das zur Beleuchtung verwendete Licht. Sein Wellencharakter führt zu Beugungserscheinungen an Öffnungen, wie einem Mikroskop-Objektiv, aber auch an Rändern von kleinen Objekten. Dadurch verschwimmen dicht beieinander liegende Bildpunkte und erscheinen unscharf.

Eine größere Genauigkeit lässt sich mit kürzeren Wellenlängen, wie der von Elektronenstrahlen, erreichen. Elektronenmikroskope erlangen daher sehr hohe Auflösungen von Bruchteilen eines Nanometers. Die zu betrachtenden Proben müssen allerdings vorher umständlich und langwierig präpariert werden. Dies schränkt die Auswahl der Objekte ein und verhindert beispielsweise die Beobachtung von lebenden Zellen.

Physiker gaben sich nicht mit diesen Erkenntnissen und Methoden zufrieden und suchten weiterhin nach Möglichkeiten, das begrenzte Auflösungsvermögen der optischen Mikroskopie heraufzusetzen. Im Jahre 2000 stellte John Pendry am Imperial College London das theoretische Konzept einer Superlinse auf.

Negative Brechung | Negative Brechung: Indem die Linse das Licht nicht zum Einfallslot hin bricht, wie es normalerweise beim Übergang von einem optisch dünnerem zu einem dichteren Medium geschieht, sondern über das Lot hinaus, umgeht sie das durch die Wellenlänge bedingte Beugungslimit.

Der Trick: Die Superlinse besteht aus einem Material mit negativem Brechungsindex. Solche Stoffe sind zwar noch in der Entwicklung, allerdings können auch normale Substanzen diese exotische Eigenschaft bekommen, wenn die als Linse verwendete Scheibe dünner als die Wellenlänge des zu brechenden Lichts ist. Indem sie das Licht nicht zum Einfallslot hin brechen, wie es normalerweise beim Übergang von einem optisch dünnerem zu einem dichteren Medium geschieht, sondern über das Lot hinaus, umgehen die Superlinsen das durch die Wellenlänge bedingte Beugungslimit. Allerdings erzeugen Superlinsen keine vergrößerten Abbildungen, sodass diese nur indirekt sichtbar gemacht werden können.

Eine andere Methode, das Beugungslimit zu überwinden, stellt die hochauflösende optische Nahfeldmikroskopie dar. Sie nutzt aus, dass Strukturen mit weniger als der halben Größe der Beleuchtungswellenlänge von einem Nahfeld umgeben sind, in dem die Intensität des reflektierten oder gestreuten Lichts mit der Entfernung exponentiell abnimmt. Diese Nahfelder unterliegen nicht den Beugungsregeln, können aber mit einem normalen Lichtmikroskop nicht betrachtet werden, da hierbei der Abstand zwischen Objektiv und Objekt zu groß ist.

Nahfeldmikroskopie mit Superlinse | Kombination eines Nahfeldmikroskops mit einer Superlinse: Das von der Siliziumkarbid (SiC)-Superlinse (hellblau) erzeugte Bild der Objekte (kleine Löcher in einem Gold-Film, in der Figur ganz unten dargestellt) erscheint an der Oberfläche und wird dort von der Nahfeldsonde, einer scharfen Abtastspitze (hellgrau), gestreut. Die roten Pfeile stellen den Infrarotlicht-Strahl dar, die roten Flächen das Infrarot-Nahfeld.

Bei der Nahfeldmikroskopie fährt nun eine besondere Abtastspitze, die auch gleichzeitig für die Beleuchtung sorgt, direkt an der Objektoberfläche entlang und sammelt Aufnahmen einzelner Bildpunkte, die erst danach zu der vollständigen Abbildung zusammengesetzt werden. Es können so allerdings nur Oberflächenuntersuchungen stattfinden – der Blick ins Innere von lebenden Zellen oder auf tiefere Strukturen von Halbleiterbauteilen bleibt verborgen.

Die Arbeitsgruppe von Rainer Hillenbrand vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried hatte nun die Idee, Nahfeldmikroskopie mit einer Superlinse zu kombinieren, um die Möglichkeiten beider zu erweitern. Dafür ließ sie sich von Kollegen der Universität Austin eine Linse aus einem 440 Nanometer dünnen Siliziumkarbid-Film anfertigen, der auf beiden Seiten 220 Nanometer dick mit Siliziumoxid beschichtet war.

Mikroskopiemethoden im Vergleich | Darstellung eines Gold-Films in einem Infrarot-Nahfeld-Mikroskop, das mit einer Siliziumkarbid-Superlinse kombiniert wurde.
Die Abbildung zeigt links ein elektronenmikroskopisches Bild des strukturierten Goldfilms (A), in der Mitte das Bild bei jener Wellenlänge des Infrarotlichts, bei der die Siliziumkarbid-Schicht ihre Superlinsen-Eigenschaften voll entwickelt (B) und rechts ein Kontroll-Bild bei einer Wellenlänge, bei der Siliziumkarbid keine Superlinsen-Eigenschaft besitzt (C).

Der Einsatz lohnte sich: Die Superlinse verstärkt die Intensität der Nahfelder, sodass endlich auch tiefer liegende Strukturen erkennbar sind. Dabei schützt sie gleichzeitig empfindliche Oberflächen vor der Nahfeldsonde. Die Wissenschaftler konnten Objekte wie Löcher in einer Gold-Folie in der Größe von nur einem Zwanzigstel der zur Beleuchtung verwendeten Infrarot-Wellenlänge (540 Nanometer) bei einem relativ großen Detektionsabstand von 880 Nanometern noch scharf abbilden. Auf diese Weise zeigten sie erstmalig, dass sich eine Superlinse erfolgreich in ein optisches System integrieren lässt.

Für die neue Methode dürften sich Nanotechnologen, Biologen und Mediziner gleichsam interessieren, lässt sie doch in die Tiefe blicken und womöglich kleinste Moleküle in lebendigen Zellen sichtbar werden, ohne delikate Objekte zu beschädigen. Manchmal hängt es also doch nicht direkt vom Lichte der Betrachtung ab, sondern von der Linse.