Optischer Verstärker 26.06.2015, 06:54 Uhr

Mikroskop aus München macht Details der Nanopartikel sichtbar

Mit einem Hochleistungsmikroskop machen Münchner Forscher Details millionstel Millimeter kleiner Nanopartikel sichtbar. Bislang lassen sie sich nur über Umwege beobachten. Herzstück des Mikroskops ist ein optischer Verstärker. 

Neues Mikroskop des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik: Forscher beobachten damit millionstel Millimeter kleine Nanoteilchen. 

Neues Mikroskop des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik: Forscher beobachten damit millionstel Millimeter kleine Nanoteilchen. 

Foto: Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Nanoteilchen verhelfen Oberflächen zu besseren Eigenschaften oder schützen in Sonnencremes vor ultravioletten Strahlen. Die millionstel Millimeter kleinen Teilchen haben verschiedene Formen: Sie sind kugelförmig, flach oder ausgefranst. Unter dem Mikroskop lassen sie sich Details der Teilchen bislang allerdings nicht beobachten. Dafür sind sie schlicht zu klein.

Forscher verwenden deshalb indirekte Methoden. Klumpen tausender Nanoteilchen werden mit Licht unterschiedlicher Frequenz bestrahlt. Je nach Form der Teilchen wird es gestreut. Daraus lässt sich in etwa auf Form und Zusammensetzung der Mehrheit der Nanopartikel schließen.

50.000-fache Verstärkung

Jetzt lassen sich auch Details einzelner Teilchen betrachten. Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in München und der dortigen Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) haben einen optischen Verstärker entwickelt, der die Wechselwirkung eines einzelnen Nanoteilchens mit Licht verbessert. „Unser Ansatz besteht darin, dass wir das Licht, das der Abbildung dient, in einem Resonator zigtausendmal umlaufen lassen. Dadurch erhöht sich die Wechselwirkung zwischen Teilchen und Lichtfeld, und das Signal ist leicht zu messen“, erklärt David Hunger aus dem Team von Theodor Hänsch, Direktor am MPQ und Professor für Experimentalphysik an der LMU. „Bei einem normalen Mikroskop betrüge das Signal weniger als ein Millionstel der Eingangsleistung und wäre nicht ohne weiteres messbar. Durch den Resonator wird das Signal nun circa 50.000-fach verstärkt.“

Es geht um milliardstel Millimeter

Das Mikroskop besteht aus einem Spiegel, auf dem das Teilchen liegt, das beobachtet werden soll. Darüber schwebt eine Glasfaser, deren Ende eine konkave Linse ist. Diese dient gleichzeitig als Reflektor und als Beleuchter. Bei einem bestimmten Abstand zwischen Spiegel und Linse kommt es zu einer Resonanz: Der Lichtstrahl flitzt hin und her, wobei sich die Wechselwirkung mit dem Teilchen ständig vergrößert. Bei der Einstellung des Abstands geht es um wenige Pikometer, also um milliardstel Millimeter.

Die Forscher bildeten als Erstes ein Teilchen aus Gold ab, das einen Durchmesser von 40 Nm hatte – ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter. Daran lernten sie, die Wechselwirkung zwischen Teilchen und Licht zu verstehen und zu interpretieren. Mit diesem Know-how können sie jetzt beliebig geformte andere Teilchen sichtbar machen.

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