Neue Techniken bereitet Bühne für ultraschnelle Nanofotografie
Abläufe auf atomarer Ebene sind nicht nur winzig, sondern auch oft sehr schnell und daher schwer in Aktion zu erfassen. Jetzt haben deutsche Wissenschaftler zusammen mit Kollegen aus den USA in der Zeitschrift Nature Techniken präsentiert, die uns der Aufnahme "atomarer Filme" ein gutes Stück näher bringt. Insbesondere konnten sie Bilder in einem so kurzen Zeitabschnitt aufnehmen, dass es möglich ist, Atome und Nanostrukturen in Echtzeit aufzuzeichnen. Ein solcher "atomarer Film", in dem zu sehen ist, wie sich Atome im entscheidenden Augenblick einer chemischen Reaktion verhalten, würde uns helfen Verfahren zu verstehen, die nur eine Femtosekunde lang sind, (eine Femtosekunde ist ein Millionstel von einem Milliardstel einer Sekunde). Die EU unterstützte die Arbeit über das Projekt X-RAY PUMP-PROBE ("X-ray pump-probe spectroscopies - New tools to study ultrafast surface dynamics"), das unter dem Siebten Rahmenprogramm ein internationales ausgehendes Marie-Curie-Stipendium (Outgoing International Grant) in Höhe von fast 160.000 EUR erhalten hat. Die traditionellen optischen Mikroskope, die häufig verwendet werden, um kleine Dinge in den Mittelpunkt zu rücken, haben ein grundsätzliches Problem, wenn es um die Auflösung von so kleinen Teilchen wie den Atomen geht. Im besten Fall können mithilfe solcher Mikroskope ca. 200 nm breite Objekte aufgelöst werden - fast drei Größenordnungen größer als der Durchmesser eines Atoms. Um der Bildgebung in atomarer Größenordnung näher zu kommen, ist ein radikal anderer Ansatz erforderlich, wobei man zuerst die Wellenlänge des Lichts verringern muss. Die Wellenlänge eines Photons des sichtbaren Lichts ist im Vergleich zur atomaren Größenordnung riesig. Sichtbares Licht reicht von etwa 400 Nanometern (nm) bis 750 nm, und es gibt eine wesentliche Schwelle - die sogenannte Beugungsgrenze -, bis zu der ein Objekt mit Photonen dieser Wellenlänge aufgelöst werden kann. Für Auflösungen im Nanometer- und Sub-Nanometerbereich sind Röntgenstrahlen erforderlich und in den letzten Jahren gab es beim Auflösungsvermögen der Röntgenmikroskopie maßgebliche und beeindruckende Durchbrüche. Die Wissenschaftler von der Universität Kiel verwendeten ultrakurze Laserpulse im sogenannten weichen Röntgenbereich. Professor Michael Bauer von der Universität Kiel erklärt: "Die von uns entwickelte Technik ermöglicht es, wesentlich umfassendere Filme extrem schneller Vorgänge aufzunehmen, als es mit bisherigen ähnlichen Techniken möglich war." Damit können wir beispielsweise Phasenübergänge in Festkörpern oder katalytische Reaktionen an Oberflächen direkt verfolgen", fügt der Wissenschaftler hinzu. Diese entstehen, wenn zum Beispiel Atome und Moleküle miteinander reagieren oder wenn sich die Zustände von elektronischen Komponenten ändern. Solche Prozesse finden im Rahmen von Femtosekunden statt. "Der Informationsgewinn durch unsere Zeitlupenaufnahmen ist enorm", schließt Professor Bauer. "Wir erhalten ganz neue Einblicke in die zentralen elektronischen Eigenschaften fester Materialien, die für eine Vielzahl aktueller und zukünftiger Technologien zum Beispiel in der Telekommunikation von Bedeutung sind."Weitere Informationen unter: Universität zu Kiel: http://www.uni-kiel.de Marie Curie International Outgoing Grant: http://cordis.europa.eu/mariecurie-actions/oif/home.html Nature: http://www.nature.com/nature
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Deutschland, Vereinigte Staaten