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Einer Gruppe von Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, mit Hilfe einer Fresnel-Zonenplatte einen Heliumgasstrahl zu fokussieren. Seine Eigenschaften ermöglichen eine zerstörungsfreie Mikroskopie mit atomarer Auflösung.Über die in Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse (22. November 1999) berichtet nun auch SCIENCE in der Ausgabe vom 3. Dezember.
Bochum, 08.11.1999
Nr. 311
Mikroskopieren mit Materie statt Licht
RUB-Chemiker entwickeln neuartige "Linse"
SCIENCE berichtet: Erstmals Gasstrahl fokussiert
Der herkömmlichen Mikroskopie sind enge Grenzen gesetzt: Lichtmikroskope können wegen der großen Wellenlänge des Lichts sehr kleine Objekte nicht sichtbar machen, andere Methoden, wie z. B. die Elektronenmikroskopie, können die Probe beschädigen. Die Lösung dieser Probleme bringt ein neues Verfahren, das Materiewellen für optische Geräte nutzt: RUB-Chemikern um Prof. Dr. Christof Wöll (Physikalische Chemie, Fakultät für Chemie der RUB) ist es in Zusammenarbeit mit dem Prof. Dr. J. P. Toennies (Max-Planck-Institut für Strö-mungsforschung, Göttingen), Prof. Dr. R. B. Doak (Arizona State University) und Prof. G. Schmahl (Universität Göttingen) erstmals gelungen, mit Hilfe einer Fresnel-Zonenplatte einen Heliumgasstrahl zu fokussieren. Seine Eigenschaften ermöglichen eine zerstörungsfreie Mikroskopie mit atomarer Auflösung. Über die in Physical Review Letters veröffentlichten Ergebnisse (22. November 1999) berichtet nun auch SCIENCE in der Ausgabe vom 3. Dezember.
Bildeunterschriften:
Oben: Schematischer Aufbau des Experiments zum Fokussieren von Gasstrahlen mittels Zonenplatten. Der Abstand Skimmer-Zonenplatte beträgt 1,069 Meter, der Abstand Zonenplatte-Schlitz 0,43 Meter.
Unten: Elektronenmikroskopische Aufnahmen der Zonenplatte (Gesamtdurchmesser 0,27 Millimeter). Deutlich zu sehen sind die freistehenden Zonenringe und die radialen Haltestege. Für eine He-Atom Wellenlänge von 0,18 Nanometer beträgt die Brennweite 150 Millimeter. Unten rechts: Detailansicht der feinen Strukturen am Rand der Zonenplatte. Die äußerste Zone hat eine Breite von 100 Nanometer. [Bildquelle: R.B. Doak, R.E. Grisenti, S. Rehbein, G. Schmahl, J.P. Toennies, and Ch. Wöll, Phys. Rev. Lett. 83, 4229-4232 (1999)]
Wie Materie zur Welle wird
Viele optische Geräte, z. B. Fernrohre, Fotoapparate und Mikroskope, funktionieren durch die Fokussierung von Lichtstrahlen: Sie treffen auf die Linse auf, werden abgelenkt oder gebeugt, und treffen sich hinter der Linse in einem Punkt, dem Fokus. Für die Betrachtung sehr kleiner Proben unter dem Mikroskop eignet sich das Licht aber nicht, denn seine große Wellenlänge setzt der Detailgenauigkeit schnell Grenzen. Die Wissenschaftler suchten also nach Alternativen - und fanden sie: Was für Lichtstrahlen gilt, gilt nach den Gesetzen der Quantenmechanik auch für Gasstrahlen. Fasst man Atome und Moleküle des Gases statt als Kügelchen als Wellen auf, dann kann man sie theoretisch auch optisch nutzen. Für ihre Experimente wählten die Forscher das Helium, da es sehr leicht ist und eine - verglichen mit anderen Atomen und Molekülen - große Wellenlänge hat.
Winzige Linse lässt Gastrahlen durch
Ein Problem stellte die Fokussierung des Gases dar. Eine normale Linse eignet sich nicht, da sie für Gas undurchlässig ist. Eine andere Möglichkeit wäre, die Wellen mit Hilfe eines Spiegels zu fokussieren; die Oberfläche des Spiegels müsste aber so perfekt sein, dass seine Herstellung sehr kompliziert wäre. Die Wissenschaftler wählten also einen einfacheren Weg: Die Fresnel-Zonenplatte. Diese "Linse" aus Silicium, die mittels Elektronenstrahllithographie am Institut für Rönt-genphysik der Universität Göttingen hergestellt wurde, besteht aus mehreren tausend ineinander liegenden Ringen, die nur durch Streben wie ein Spinnweben miteinander verbunden sind. Die Abstände zwischen den Ringen werden von innen nach außen hin immer kleiner. Das ganze Gebilde misst im Durchmesser nur 0,27 Millimeter.
Der Detektor beweist: Am Fokus tummeln sich die Atome
In einer speziellen Apparatur am Max-Planck-Institut für Strömungsforschung, Göttingen, ließen die Forscher einen Heliumgasstrahl aus einer Düse durch einen Trichter auf die Zonenplatte strömen. Die Gaswellen, die auf die Ringe auftreffen, sollten zu einem Teil reflektiert, zu einem anderen Teil beim Hindurchfließen zwischen den Ringen gebeugt und so in einem Fokus gebündelt werden. Da das Gas anders als Licht unsichtbar ist, brauchten die Experten einen Detektor, um diese Theorie zu beweisen. Sie bewegten das Gerät hinter der Zonenplatte hin und her, um die Wirkungsweise der Zonenplatte zu testen. Und tatsächlich fanden sie das charakteristische Zeichen für einen Fokus: Eine sehr hohe Gaskonzentration an einen Punkt, die in der Umgebung stark abfällt. Gegenüber herkömmlichen Methoden der Mikroskopie, z. B. der Licht- und der Elektronenmikroskopie, hat die neue Methode große Vorteile: Die geringe Wellenlänge der Materiewellen erlaubt eine atomare Auflösung, ist also wesentlich empfindlicher als die Lichtmethode. Außerdem können die Heliumatome das Objekt nicht beschädigen, wie Abtastmethoden oder die sehr energiereichen Elektronen.
Weitere Informationen
Prof. Dr. Christof Wöll, Fakultät für Chemie der RUB, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-25529, Fax: 0234/32-14-182, email: Woell@pc.ruhr-uni-bochum.de
[B.u.: siehe Text in der Pressemitteilung]
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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Biologie, Chemie, Elektrotechnik, Energie, Mathematik, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
[B.u.: siehe Text in der Pressemitteilung]
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