Forschung & Entwicklung

Mikroskopiemethode mit optischer Linse aus Gold

Mithilfe eines neuen optischen Mikroskops lassen sich Nanostrukturen mit hoher Auflösung abbilden. Zudem ist die sogenannte plasmonische Nanofokussierung in der Lage, die optischen Eigenschaften eines beobachteten Objekts gezielt zu verändern.

Eine kegelförmige Spitze aus Gold bildet das Kernstück eines neuen, leistungsfähigen optischen Mikroskops, das Wissenschaftler der Universität Oldenburg entwickelt haben. Statt einer Linse aus Glas fokussiert ein kleiner Kegel aus Gold mit einer winzigen eingravierten Gitterstruktur das Licht. Dabei wird die Lichtwelle in eine sogenannte Plasmonwelle umgewandelt, die an der Oberfläche des Goldes zur Spitze des Kegels entlangläuft. Die Welle zieht sich dabei auf ihrem Weg räumlich immer weiter zusammen und wird so stark fokussiert, dass schließlich am Ende der Spitze ein isolierter, nur wenige Nanometer großer Lichtfleck entsteht; hundertfach kleiner als ein Fleck, auf den Licht mit Glaslinsen fokussiert werden kann.

Dieser Lichtfleck wird nun über die Oberfläche der Probe bewegt und es wird ein räumliches Bild des gestreuten Lichts aufgenommen. „Viele Nanostrukturen, etwa Viren oder auch technologisch relevante Nanopartikel, sind erheblich kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes und können mit konventionellen Lichtmikroskopen deshalb nicht abgebildet werden“, erläutert Dr. Martin Esmann. Er führte die Messungen für die aktuelle Studie während seiner Promotion an der Universität Oldenburg durch und arbeitet mittlerweile am Centre for Nanoscience and Nanotechnology der Université Paris-Sud in Frankreich.

Mit ihrem neuen Verfahren gelang es dem Team um den Physiker Professor Christoph Lienau und den Chemiker Professor Gunther Wittstock, zylindrische Nanopartikel mit einem Durchmesser von nur 10 nm optisch abzubilden. Dabei konnten Details der räumlichen Verteilung der elektromagnetischen Felder, die diese Nanostrukturen umgeben, mit einer Auflösung von 5 nm abgebildet werden. „Wir konnten nicht nur die Helligkeit, sondern auch die Farbverteilung des gestreuten Lichts mit bisher nicht erreichter Präzision vermessen“, erklärt Lienau. Die Methode bezeichnet das Oldenburger Team als ‚plasmonische Nanofokussierung‘.

Die neue Technik kann aber nicht nur nanoskopische Objekte sichtbar machen, sie kann auch im Detail untersuchen und sogar steuern, wie sich Licht zwischen der Goldspitze und anderen Nanoobjekten ausbreitet. Es handelt sich also nicht nur um ein passiv beobachtendes Mikroskop, sondern um eine Nanosonde, die. Damit biete die neue Methode ungeahnte Möglichkeiten, um beispielsweise den Energietransport auf der Nanoskala besser zu verstehen, sind sich die Experten sicher. Zudem sehen die Forscher Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin, bei der Entwicklung leistungsstärkerer Batterien und Solarzellen oder bei der Konzipierung neuer Bauelemente für Quantencomputer.

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. Esmann, S. Fabian Becker, J. Witt, J. Zhan, A. Chimeh, A. Korte, J. Zhong, R. Vogelgesang, G. Wittstock, C. Lienau, Vectorial near-field coupling, Nat. Nanotechnol. (2019), DOI: 10.1038/s41565-019-0441-y]

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