Jenseits der Beugungsgrenze: Optische Messungen auf Atomskala

Optische Mikroskopie stößt seit über hundert Jahren an eine harte Grenze. Sie liegt nicht in der Technik, sondern im Licht selbst. Licht breitet sich als Welle aus. Dadurch lässt es sich nicht beliebig stark bündeln. Diese sogenannte Beugungsgrenze verhindert, dass klassische optische Mikroskope Strukturen deutlich unterhalb der Lichtwellenlänge auflösen. Atome bleiben damit unsichtbar.

Ein Forschungsteam aus Regensburg und Birmingham zeigt nun einen Weg, wie sich diese Grenze umgehen lässt. Die Forschenden kombinieren optische Nahfeldmikroskopie mit quantenmechanischen Effekten. Das Ergebnis: optische Messungen mit Auflösung auf Atomskala – und das mit vergleichsweise einfacher Laserhardware. Die Arbeit erschien in Nano Letters und basiert auf Experimenten mit kontinuierlicher Infrarotstrahlung.

Warum Licht an seine Grenze stößt

In klassischen Mikroskopen wird Licht aus größerer Entfernung auf eine Probe fokussiert. Dabei verschwimmen feine Details. Ursache ist die Beugung: Selbst perfekte Linsen können Licht nicht schärfer bündeln als etwa die halbe Wellenlänge. Bei sichtbarem Licht liegt diese Grenze im Bereich von rund 200 Nanometern.

Zwar existieren Tricks wie Fluoreszenz-Superauflösung. Doch sie funktionieren meist nur mit speziell markierten Proben. Für feste Materialien, Metalle oder Halbleiter sind sie oft ungeeignet.

Licht im Nanospalt bündeln

Die neue Methode setzt deshalb auf Nahfeldoptik. Dabei befindet sich eine extrem scharfe Metallspitze nur wenige Atomdurchmesser über der Oberfläche. Das Licht wird nicht aus der Ferne fokussiert, sondern direkt im winzigen Spalt zwischen Spitze und Probe konzentriert.

Allein damit lassen sich bereits Auflösungen von etwa 10 Nanometern erreichen. Das ist deutlich besser als im Fernfeld, aber noch nicht atomar. Der entscheidende Schritt folgt, wenn die Spitze weiter angenähert wird – bis auf Abstände von wenigen Pikometern.

Wenn Elektronen Licht erzeugen

In diesem extrem kleinen Abstand greift die Quantenmechanik. Elektronen können zwischen Spitze und Probe tunneln, obwohl kein direkter Kontakt besteht. Das oszillierende elektrische Feld des Infrarotlichts versetzt diese Elektronen in Bewegung.

Dabei entsteht elektromagnetische Strahlung. Die Forschenden sprechen von Near-Field Optical Tunneling Emission (NOTE). Dieses Lichtsignal trägt Informationen über die Elektronenbewegung – und damit über die Probe – auf atomarer Skala.

Felix Schiegl von der Universität Regensburg beschreibt den Moment der Entdeckung so: „Bei extrem kleinen Abständen nahm das Signal plötzlich enorm zu.“ Erst die Analyse zeigte, dass Messungen bis hinunter zu etwa 0,1 Nanometern möglich waren.

Atomare Information ohne Ultrakurzpulse

Bislang galten solche Effekte als Domäne extrem kurzer und intensiver Laserpulse. Diese Systeme sind teuer und technisch anspruchsvoll. Der neue Ansatz funktioniert dagegen mit einem handelsüblichen Dauerstrichlaser im mittleren Infrarot.

Dr. Tom Siday von der Universität Birmingham sagt dazu: „Es ist erstaunlich, dass bereits ein Elektron, das sich nur alle hundert Lichtzyklen bewegt, ein messbares optisches Signal erzeugt.“ Entscheidend ist nicht die Lichtintensität allein, sondern der extrem kleine Spalt zwischen Spitze und Probe.

Was sich messen lässt – und warum das wichtig ist

Aus dem emittierten Licht lassen sich Materialeigenschaften wie die lokale elektrische Leitfähigkeit ableiten. Und zwar punktgenau auf atomarer Ebene. Valentin Bergbauer von der Universität Regensburg fasst den Ansatz so zusammen: „Wir messen direkt quantenmechanische Elektronenbewegungen auf atomaren Längenskalen.“

Das Verfahren verbindet zwei Welten. Es kombiniert die Ortsauflösung von Rastersondenmethoden mit der Vielseitigkeit optischer Spektroskopie. Perspektivisch könnten so auch isolierende Materialien untersucht werden, bei denen klassische Tunnelstrommessungen an Grenzen stoßen.

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