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Forschung & Entwicklung Hohe Auflösung: Abbildung von Quantenpunkten

Eine neue Nanoskopietechnik ist nicht auf Farbstoffmoleküle beschränkt und erweitert somit die Möglichkeiten bei der Abbildung nanometergroßer Objekte.

Einzelne Moleküle und Atome, die nur Bruchteile eines Nanometers groß sind, lassen sich mit konventionellen optischen Mikroskopen nicht abbilden. In den letzten Jahren ist es Wissenschaftlern jedoch gelungen, diese Auflösungsgrenze von Mikroskopen zu umgehen und Bilder von Strukturen zu erzeugen, die nur wenige Nanometer groß sind. Sie verwenden dazu Laser verschiedener Wellenlänge, mit denen die Fluoreszenz von Molekülen in einem Teil des Präparats angeregt wird, während sie in den umliegenden Bereichen unterdrückt wird. Die Entwicklung dieser sogenannten STED-Methode (Stimulated Emission Depletion) wurde 2014 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet.

Timo Kaldewey aus dem Team von Prof. Richard Warburton am Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel hat nun in Zusammenarbeit mit Kollegen vom Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum eine ähnliche Technik entwickelt, welche die Abbildung von nanometergroßen Objekten möglich macht, insbesondere auch eines quantenmechanischen Zweizustandssystems.

Die Physiker untersuchten sogenannte Quantenpunkte, die sich mithilfe der neuen Methode als helle Punkte darstellen ließen. Sie regten dabei die Atome mit einem pulsierenden Laser an, der seine Farbe zw. Frequenz während jedes Pulses wechselt. Die Fluoreszenz des Atoms wird dadurch an- und ausgeschaltet. Damit konnten sie eine sogenannte adiabatische Passage initiieren, bei der die Elektronen in den Quantenpunkten das Energieniveau kontrolliert wechselten. Somit hatten sie einen Kontrollschalter auf Quantenebene. Die erreichte Auflösung entsprach einem Einunddreißigstel der Wellenlänge des benutzten Lichts.

Während die STED-Methode nur bei Molekülen funktioniert, die durch die Anregung des Lasers mindestens vier verschiedene Energieniveaus einnehmen können, funktioniert die neue Methode auch mit Atomen, die nur zwei Energiezustände haben. Solche Zweizustandssysteme bilden wichtige Modellsysteme für die Quantenmechanik. Die Methode setzt auch keine Wärme frei. Das sei ein großer Vorteil, da freigesetzte Wärme die untersuchten Moleküle zerstören könne, erklärt Richard Warburton. Das Nanoskop eignet sich für alle Objekte, die zwei Energieniveaus besitzen so wie echte Atome, kalte Moleküle, Quantenpunkte oder Farbzentren.

Das Projekt wurde unter anderem vom Nationalen Forschungsschwerpunkt Quantum Science and Technology (NCCR QSIT), vom Schweizerischen Nationalfonds und von der Europäischen Union im FP7-Programm gefördert.

Originalveröffentlichung:

[T. Kaldewey, A. V. Kuhlmann, S. R. Valentin, A. Ludwig, A. D. Wieck, R. J. Warburton, Far-field nanoscopy on a semiconductor quantum dot via a rapid-adiabatic-passage-based switch, Nat. Photonics (2017), DOI: 10.1038/s41566-017-0079-y]

von mn

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