Rasende Elektronen werden unter neuem Mikroskop sichtbar
Mit einem neuartigen Mikroskop, das den Stroboskop-Effekt nutzt, lassen sich Strukturen sichtbar machen, die sich bisher nur erahnen ließen. Werkstoffforscher, Elektronikhersteller und Mediziner haben damit ein neues Werkzeug.
Schematische Darstellung der Untersuchung von Elektronenbewegungen mit Hilfe des neuen Mikroskops.
Foto: Max Eisele
Es ist wie in der Disko, wenn der DJ das Licht aus- und das Stroboskop einschaltet. Zu sehen sind dann lauter Momentaufnahmen von oft merkwürdig verrenkten Tänzern. Regensburger Physiker haben das Prinzip auf eine wissenschaftliche Hightech-Ebene gebracht und die Blitzdauer verkürzt.
Statt einer Zehntel Sekunde sind es nur noch wenige Femtosekunden, also ein paar billiardstel Sekunden, eine unvorstellbar kurze Zeit. Die Laserblitze treffen auch keine Tänzer, sondern Oberflächen, auf denen nanometergroße Objekte – ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter – umherschwirren, Elektronen etwa. Zu allem Überfluss sind die Blitze nicht einmal zu sehen. Nicht nur, weil sie so kurz sind, sondern auch, weil es sich um Infrarotlicht handelt.
Ein Film aus lauter Momentaufnahmen
Was Rupert Huber, Professor am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg, und sein Team gebaut haben ist ein weltweit einzigartiges Mikroskop, das die Bewegung kleinster Teilchen sichtbar macht, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind. Es macht Momentaufnahmen, die sich zu einer Art Film zusammensetzen.
Die Laserblitze landen auf einer metallischen Spitze, von der sie in alle Richtungen gestreut werden. Diese Spitze führen die Forscher unvorstellbar langsam über eine Oberfläche. So ähnlich geschieht es auch beim Einsatz von Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopen, die elektrisch leitende beziehungsweise nicht leitende Oberflächen scannen.
Sensoren fangen Lichtsignale ein
Die Lichtblitze der Regensburger Physiker werden von der Oberfläche reflektiert, und zwar unterschiedlich je nachdem, was darauf passiert. Ein darüber huschendes Elektron etwa erzeugt ein anderes Lichtsignal als ein ruhendes Molekül, das aus der glatten Oberfläche herausragt. Die Lichtsignale fangen Sensoren ein, die ebenso flink reagieren wie die Laserdioden, die die Femtosekundenblitze abfeuern.
Elektronen auf Nanodrähten werden sichtbar
In einem spektakulären ersten Demonstrationsexperiment beobachteten die Forscher eine bislang nur indirekt zugängliche Elektronenbewegung an der Oberfläche von Halbleiter-Nanodrähten. Diese Erkenntnisse sollen helfen, noch schnellere Halbleiter-Bauelemente zu entwickeln. Oder effektivere Solarzellen und so genannte Metamaterialien. Das sind Werkstoffe, deren Zusammensetzung oder Strukturierung gewissermaßen mit Gewalt erfolgt, weil die Natur es eigentlich gar nicht zulässt.
Diese Werkstoffe können überraschende Eigenschaften haben, beispielsweise Gegenstände unsichtbar machen. Huber und sein Team glauben, dass ihr neuartiges Mikroskop auch Vorgänge in lebenden Zellen sichtbar macht, also die Erforschung von Krankheiten und deren Heilung erleichtern kann.
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