Forschung & Entwicklung

Einzelnes Atom wirft Schatten

12.07.2012

Optische Mikroskope können Atome nicht direkt sichtbar machen, da diese kleiner sind, als die Abbe’schen Auflösungsgrenze erlaubt. Dennoch ist es Forschern jetzt gelungen, den Schattenwurf eines einzelnen Atoms zu fotografieren.

Weltweit erste optische Aufnahme des Schattenwurfs eines einzelnen Ytterbium-Atoms in einer Ionenfalle

Ein Forscherteam um Prof. Dave Kielpinski am Centre for Quantum Dynamics der Griffith University im australischen Brisbane gelang erstmals die optische Abbildung des Schattenwurfs eines einzelnen Atoms, das durch einen Laser angestrahlt wurde. Ursprünglich wollten die Wissenschaftler herausfinden, wie viele Atome benötigt werden, damit der Schatten mit einer digitalen Kamera aufgenommen werden kann. Es stellte sich heraus, dass ein einzelnes Atom dazu ausreichend ist.
Die experimentelle Umsetzung gelang, indem ein einzelnes Ytterbium-Ion in einer Ionenfalle mittels elektrischer Wechselfelder im freien Raum gefangen und bei einer Resonanzwellenlänge von exakt 369,5 nm mit Laserlicht angestrahlt wurde. Der Schattenwurf lies sich über eine Fresnel-Linse auf einen gekühlten CCD-Sensor abbilden.
Solche Experimente helfen, unser Verständnis der Atomphysik zu bestätigen, und leisten möglicherweise einen Betrag auf dem Gebiet der Quantencomputer. Außerdem wird die Suche nach potentiellen Anwendungen in der Biomikroskopie erleichtert, da sich vorhersagen lässt, wie viel Licht ein einzelnes Atom absorbieren muss, um einen Schatten zu werfen. So kann man messen, ob das verwendete Mikroskop den physikalisch möglichen Kontrast erreicht.
Wichtig ist dies bei der Beobachtung sehr kleiner, empfindlicher Proben wie DNA-Strängen, die bei zu hoher UV- oder Röntgenstrahlung beschädigt werden. Man kann nun bestimmen, wie viel Licht benötigt wird, um z.B. zelluläre Prozesse unter optimalen mikroskopischen Bedingungen zu beobachten, ohne die Schwelle zur Schädigung durch zu hohe Intensität zu überschreiten. Letztendlich könnte ein Bruchteil der Helligkeit ausreichen, um biologische Proben zu untersuchen.
[E.W. Streed, A. Jechow, B.G. Norton, D. Kielpinski, Absorption imaging of a single atom, Nature Communications 3, Article number: 933, doi:10.1038/ncomms1944]

BioPhotonik 3/2012

• http://www.griffith.edu.au/science-aviation/centre-quantum-dynamics

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