Röntgenmikroskopie mit Superauflösung

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1 Röntgenmikroskopie mit Superauflösung Ein neuartiges Röntgenmikroskop kombiniert die hohe Durchdringungsleistung von Röntgenstrahlen mit einer hohen bildlichen Auflösung. Abb. 1: 25 von rund Beugungs bildern, die in die Auswertung einfließen, um abschließend ein einziges Bild in der neuen Superauflösung zu generieren. (Quelle: P. Thibault/F. Pfeiffer (PSI/EPFL)) Ein neuartiges Röntgenmikroskop mit Superauflösung, das von einem Forscherteam des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der ETH Lausanne (EPFL) in der Schweiz entwickelt wurde, kombiniert die hohe Durchdringungsleistung von Röntgenstrahlen mit einer hohen bildlichen Auflösung und ermöglicht es somit erstmals, Licht auf die detaillierten inneren Strukturen von Halbleiterbauelementen oder Zellen zu werfen. Die ersten Bilder in Superauflösung aus diesem neuartigen Mikroskop wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht [1]. Franz Pfeiffer, Professor an der ETH Lausanne und Leiter des Forscherteams, erläutert: Seit vielen Jahren arbeiten Forscher an Konzepten für ein Mikroskop mit Superauflösung mittels Elektronen und Röntgenstrahlen. Nur der Bau eines speziellen Instruments im Wert von mehreren Millionen Schweizer Franken an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz des PSI ermöglichte uns die Stabilität zu erreichen, die für die Implementierung unserer neuen Methode in der Praxis erforderlich ist. Das neue Instrument setzt zudem den Megapixel-Detektor PILATUS ein, dessen großer Bruder ebenfalls am PSI entwickelt wurde und in Kürze am Large Hadron Collider des CERN zum Einsatz kommen wird. PILATUS begeistert die Synchroton- Fachwelt durch seine Fähigkeit, Millionen einzelner Röntgenstrahlphotonen präzise zu zählen. Diese spezielle Eigenschaft ermöglicht die Aufzeichnung von detaillierten Beugungsbildern der Probe, während sie im Fokus des Strahls mit dem Rasterscan-Verfahren untersucht wird. Herkömmliche Transmissions-Rasterelektronenmikroskope messen im Gegensatz dazu nur die gesamte, von der Probe absorbierte Intensität. Die Beugungsdaten werden anschließend mit einem Algorithmus verarbeitet, der von dem Schweizer Team entwickelt wurde. PSI- Forscher Pierre Thibault, der Erstautor des Science-Artikels, erklärt: Wir haben einen Bildrekonstruktionsalgorithmus entwickelt, der die zigtausend Beugungsbilder bear beitet und sie zu einem superaufgelösten Röntgentransmissionsmikroskopiebild zusam menfügt. Damit die Bilder von höchster Genauigkeit sind, berücksichtigt der Algorithmus nicht nur die Daten der Probe, sondern auch die exakte Form des Lichtstrahls der auf die Probe trifft. Herkömmliche Elektronenrastermikroskope liefern hochauflösende Bilder von der Oberflächenstruktur eines Untersuchungegenstands. Das neue Mikroskop mit Superauflösung des Schweizer Teams kann jedoch tief in Halbleiterstrukturen oder biologische Proben hineinsehen. Dadurch können bei Halbleitern winzige Mängel, die bereits im Nanobereich liegen, entdeckt werden, obwohl diese defekten Strukturen tief im Innern des Bauteils versteckt sind. Die Analyse solcher Mängel, bei der der Untersuchungsgegenstand übrigens nicht zerstört wird sondern intakt bleibt, wird einen Beitrag zur Verbesserung der Qualität von Halbleitern leisten, wo Strukturgrößen unter hundert Nanometern zum Einsatz kommen. Ein weiteres, sehr viel versprechendes Anwendungsgebiet für die neue Technik sind die Lebenswissenschaften, wo die Durchdringungskraft der Röntgenstrahlen zur Abbildung von detaillierten Strukturen im Inneren von Zellen bzw. Zellbestandteilen eingesetzt werden kann. Schließlich lässt sich das neuartige Mikroskopieverfahren auch auf Elektronen- oder Lichtstrahlen übertragen und kann zur Konzeption neuer und besserer Licht- und Elektronenmikroskope herangezogen werden. Franz Pfeiffer Paul-Scherrer-Institut (PSI) [1] Pierre Thibault, Martin Dierolf, Andreas Menzel, Oliver Bunk, Christian David und Franz Pfeiffer, High-Resolution Scanning X-Ray Diffraction Microscopy, Science 321, 379 (2008) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 23

2 Licht auf die Spitze getrieben Ein verbessertes optisches Mikroskop bildet einzelne Moleküle mithilfe ihres abgestrahlten Ramanlichtes ab. Abb. 1: Kein Gebirge, sondern eine Moleküllandschaft mit fünf Brillantkresylblau-Molekülen zeigt dieses rastertunnelmikroskopische Bild des TERS-Mikroskops. (Bild: Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft) [pm] nm 0 TERS Intensität nm 12 Abb. 2: Die Intensität des Ramansignals eines einzelnen Brillantkresyl- Moleküls (auf einer Fläche von 12 x 12 Nanometern). Aus dem Ramansignal ermitteln die Forscher das Farbspektrum des Moleküls und können so, wenn nötig, die Art des Moleküls bestimmen. (Bild: Fritz-Haber Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin) Klassische Rastertunnelmikroskope liefern überaus scharfe Bilder von Atomlandschaften, leider aber nur in schwarz-weiß: Ein Atom sieht darin aus wie das andere. Optische Mikroskope dagegen unterscheiden Stoffe mithilfe deren Farbspektrum, können aber bisher einzelne Atome oder einzelne Moleküle überhaupt nicht unterscheiden. Das verbesserte optische TERS-Mikroskop der Universität Tübingen und des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin erreicht nun eine Auflösung, die für optische Mikroskope lange als undenkbar galt. Es bildet einzelne Moleküle mit Hilfe ihres abgestrahlten Ramanlichtes ab. Seine Auflösung von 15 Nanometer ist mit der von Rasterkraftmikroskopen vergleichbar. Das ist der Neuerung der Forscher zu verdanken: Sie bündeln den Lichtstrahl des Mikroskops mithilfe eines Parabolspiegels und einer sehr scharfen Goldspitze und beleuchten so den kleinstmöglichen Ausschnitt ihrer Probe [1]. Wenn der Physiker Bruno Pettinger an seinem Rechner eine seiner Mikroskop-Aufnahmen betrachtet, erinnert das Bild ein klein wenig an ein alpine Landschaft. Das dreidimensionale Bild zeigt eine zerklüftete Ebene mit mehreren scheinbar schneebedeckten Bergen. Nur sind es keine Berge, sondern verstreute Moleküle des Farbstoffs Brillantkresylblau auf einer Gold-Oberfläche. Solche Aufnahmen von Rastertunnelmikroskopen kennt man zuhauf, neu ist allerdings, dass eine solche Messung noch ein weiteres Bild liefert. Es zeigt das Leuchten der Moleküle. Mit den Farben dieses Lichts, dem sogenannten Ramanspektrum, bestimmt Pettinger welches Molekül wo sitzt so als nenne er die einzelnen Berge beim Namen. Die Auflösung dieser Spektroskopie haben die Forscher in ihrem Mikroskop auf 15 Nanometer verbessert und damit erstmals auf direktem Weg einzelne Moleküle an Hand ihres Ramanspektrums identifiziert. In Zukunft könnte diese Technik beispielsweise Nanoteilchen abbilden, die die Oberfläche von Katalysatoren bevölkern und dort fremde Moleküle einfangen. Mit einem Bild der unterschiedlichen Gestalten dieser Teilchen und der an ihnen haftenden Moleküle lässt sich ermitteln, wie ihre katalytischen Eigenschaften entstehen. Derzeit verfügbare optische Mikroskope geben mit wenigen, noch unausgereiften Ausnahmen neben der Art nicht gleichzeitig den Ort der Moleküle an. So kann man mit der bisherigen Ramanspektroskopie zwei verschiedene, benachbarte Moleküle nicht unterscheiden, selbst wenn sie 200 nm von einander entfernt sind. Im Landschaftsbild würde das bedeuten: Die einzelnen Gipfel im Gebirge wären zu verschwommen, um sie auseinanderzuhalten. Die Aufnahme würde eine kaum strukturierte, große Ebene in einer Mischfarbe zeigen. Im Gegensatz dazu könnte ein klassisches Rastertunnelmikroskop sogar einzelne Felsbrocken also Atome abbilden, aber eben alle nur in grau. Welche Elemente darin vorkommen, geben die Steine nicht preis. Das Mikroskop der Arbeitsgruppen um Alfred Meixner an der Universität Tübingen und Bruno Pettinger am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin verknüpft die Vorteile beider Techniken. Die beiden Forschungsteams arbeiteten allerdings zunächst unabhängig voneinander. Bei einem Besuch im Labor tauschten die befreundeten Wissenschaftler ihre Ideen aus und kamen schließlich zu ähnlichen Ergebnissen mithilfe von Parabolspiegeln statt Linsen. Es ist praktisch, dass wir eine zeitlang Konkurrenten waren, sagt Meixner. Das Prinzip hat in beiden Laboren funktioniert. So wissen wir, dass es hält, was es verspricht. Alpenglühen mikroskopisch Das erwähnte Prinzip kombiniert die beiden Techniken der Rastertunnelmikroskopie und der Ramanspektroskopie (Tip Enhanced Raman Scattering, TERS) mit einer belichteten, scharfen Spitze. In Rastertunnelmikroskopen tastet die Metallna 24 Optik & Photonik Oktober 2008 Nr Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

3 del die Oberfläche der Probe ab, in TERS- Mikroskopen verstärkt sie die erwünschten optischen Effekte. Die Forscher haben zu diesem Zweck sehr feine Goldspitzen hergestellt, deren Durchmesser etwa 15 Nanometer, weniger als ein Tausendstel eines menschlichen Haares, beträgt. Für das Höhenprofil der Probe fährt die Goldspitze die Struktur der Oberfläche wie in einem Rastertunnelmikroskop nach. Sobald sie eine Erhebung, also ein Molekül, ausfindig gemacht hat, kommt die Neuerung ins Spiel. Denn die Ramanstreuung ist sehr schwach. Für ein auswertbares Signal von nur einem Molekül muss sie enorm verstärkt werden. Dafür fokussieren die Forscher Laserstrahlen mit einem parabelförmigen Hohlspiegel perfekt auf die Nadel. Das elektromagnetische Feld der Strahlen wird dabei entlang der Spitze ausgerichtet und versetzt die Ladungsträger in Metallspitze und Probenoberfläche in Schwingung. Die Spitze ist nur einen Nanometer von der Probe entfernt, sodass sich das Licht auf einen extrem kleinen Raum im Spalt konzentriert. Nicht nur die Goldspitze leuchtet dann, sondern auch die Erhebungen auf der Oberfläche direkt darunter. Dort erzeugen Moleküle eine millionenfach stärkere Ramanstrahlung als weiter von der Spitze entfernt. Beugungsgrenze überlistet Die leuchtende Goldnadel im Mikroskop wirkt wie eine Antenne. Die Laserstrahlen regen ihre extrem scharfe Spitze an, Lichtwellen einer Frequenz auszusenden. Auf dem Weg durch den Spalt zwischen Spitze und Probenoberfläche werden die Wellen allerdings von kleinen Hindernissen gestört: den Molekülen, die auf der Probenoberfläche sitzen. Sie zapfen den Wellen ganz bestimmte Energiemengen ab, um selbst zu schwingen und hinterlassen dabei eine Art chemischen Fingerabdruck in den Strahlen. Dieses Phänomen nennt man Ramanstreuung. Der Parabolspiegel sammelt den größtmöglichen Teil der gestreuten Strahlung rund um den Spalt ein. Die Forscher können sich nun ans Auswerten machen und die bislang unbekannten Stoffe unter ihrem Mikroskop an Hand des Ramanspektrums identifizieren. Mit dem TERS-Mikroskop erreichen die Forscher eine 30-mal höhere Auflösung als klassische, beugungslimitierte optische Mikroskope, die Lichtstrahlen etwa mit Linsen bündeln. Für letztere ist die Auflösung auf die Größe einer halben Wellenlänge des Lichtes begrenzt, hier wären das etwa 300 nm. Dies galt lange Zeit als absolute Obergrenze der Auflösung von Lichtmikroskopen. Die Auflösung des TERS-Mikroskops wird hier allerdings anders begrenzt, nämlich von der Größe der verwendeten Goldspitze. So wird die Beugungsbegrenzung überlistet, da die einzelnen Bildpunkte nicht direkt durch Licht abgebildet werden, sondern durch das Rastern der Goldspitze über die Oberfläche. Wegen seiner hohen Auflösung und Nachweisempfindlichkeit ist diese Art der Mikroskopie nicht nur für die Untersuchung von Katalysatoren interessant, sondern beispielsweise auch für die Sequenzierung von DNA oder für die Abbildung von Nanostrukturen in Halbleitern. Die Auflösung ihres TERS Mikroskops wollen Pettinger und Meixner weiter verbessern, indem sie noch schärfere Spitzen verwenden. Mithilfe unseres TERS-Mikroskops werden wir auch Forschungen in dem noch jungen, aber äußerst interessanten Gebiet der Einzel-Molekül-Spektroskopie vorantreiben, sagt Pettinger. Bruno Pettinger Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin Alfred J. Meixner Universität Tübingen [1] Jens Steidtner, Bruno Pettinger, Tip-Enhanced Spectroscopy and Microscopy on Single Dye Molecules with 15 nm Resolution, Physical Review Letters (8. Juni 2008) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 25

4 Ultraschneller Blick in Atome und Moleküle Forscher aus Garching, München und Berkeley stellen mit ultrakurzen Lichtpulsen einen neuen Rekord in der Kurzzeittechnologie auf. Wer Bewegungen von Elektronen in Atomen beobachten will, der muss schnell sein. Diese Schnelligkeit hat jetzt ein Physikerteam des Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität in München bewiesen. Mit speziellen Laserpulsen haben die Forscher Lichtblitze erzeugt, die nur noch rund 80 Attosekunden dauern. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Damit stoßen sie erstmals in den Zeitbereich von weniger als 100 Attosekunden vor [1]. Im Mikrokosmos bewegen sich Elektronen rasend schnell. Im Zeitraum weniger Attosekunden springen die Teilchen innerhalb von Atomen, zwischen benachbarten Atomen in einem Molekül oder einem Festkörper von einem Ort zum anderen. Im Körper übertragen sie so biologische Informationen in den Nerven, können aber auch Schaden anrichten, indem sie Biomoleküle verformen und damit Fehlfunktionen auslösen. Wenn die Elektronen umher springen, senden sie Licht aus, im Bereich des sichtbaren, ultravioletten oder Röntgenspektrums. Diese Bewegungen können Forscher umso schärfer abbilden, je kürzer die Lichtpulse sind, mit denen sie abgeblitzt werden. Ein Fotograf, der einen Kurzstreckenläufer in Aktion knipsen will, benutzt für ein scharfes Foto schließlich auch eine kürzere Belichtungszeit. Zu diesem Zweck hat das Physikerteam um Ferenc Krausz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Advanced Light Source in Berkeley (USA) sowie Ulf Kleineberg von der LMU ultrakurze Lichtblitze erzeugt. Lichtpulse, die kürzer als 100 Attosekunden sind, werden uns den Zugang zu bisher nicht sichtbaren Elektronenbewegungen gewähren. Vor allem Wechselwirkungen der Elektronen untereinander werden wir in Echtzeit beobachten können, erklärt Eleftherios Goulielmakis, Forschungsgruppenleiter im Team von Ferenc Krausz. Dazu lösen die Forscher eine Art Kettenreaktion aus, an deren Ende die Elektronen eines Edelgases die gewünschten Lichtblitze aussenden. Am Anfang der Kette steht nahes, infrarotes Laserlicht, das ein starkes elektrisches Feld besitzt. Mit diesem Licht erzeugen die Wissenschaftler Laserblitze, deren Feld kaum mehr als eine einzige kräftige Schwingung mit einer Periode von etwa 2,5 Femtosekunden (eine Femtosekunde sind 1000 Attosekunden) aus. Das heißt: Die Lichtwelle beinhaltet nur mehr zwei hohe Wellenberge und ein tiefes Wellental dazwischen. An den Spitzen dieser Berge und am Tiefpunkt des Tales ist die Kraft am stärksten, die das elektrische Lichtfeld auf die Elektronen ausübt. Dadurch schlägt es Elektronen aus den Edelgasatomen heraus, die die Garchinger Physiker in ihrem Experiment verwendet haben. Übrig bleiben nur Ionenrümpfe. Durch die Schwingung des Lichtfeldes ändert die Kraft ihre Richtung und schleudert die Elektronen wenig später wieder zu den Ionenrümpfen zurück. Beim Auftreffen rufen die freien Elektronen extrem schnelle Elektronenschwingungen hervor, die nur noch Attosekunden dauern und dadurch wiederum Lichtblitze in Attosekunden-Zeiträumen aussenden. Diese Blitze befinden sich dann im Bereich des extremen ultravioletten Lichts von circa 10 bis 20 Nanometer Wellenlänge. Die kontrollierte Erzeugung dieser einzigen kräftigen Lichtschwingung erlaubte es dem Garchinger Forscherteam nun erstmals, dreimal Elektronen innerhalb eines einzelnen Laserpulses freizusetzen. Bei ihrer Rückkehr zum Ionenrumpf senden sie dann exakt drei Attosekundenpulse aus. Einer dieser drei Pulse besitzt eine besonders hohe Intensität, er besteht aus mehr als 100 Millionen Photonen. Diesen Puls filtert das Team mit speziellen Röntgenspiegeln heraus, die die Arbeitsgruppe von Ulf Kleineberg entwickelt Abb. 1: In einem der Herzstücke der Anlage, der Beamline AS-1, entstehen die ultrakurzen Lichtblitze. Das Foto zeigt eine Düse, aus der Edelgas strömt. Auf das Edelgas wird ein Laserblitz fokussiert. Dadurch werden die Edelgasatome angeregt und senden anschließend Lichtblitze im Attosekundenbereich aus. (Bild: Thorsten Naeser) hat, und erzeugt dadurch einen einzelnen Röntgenblitz mit einer Dauer von 80 Attosekunden. Mit ihrer enormen Kürze und Intensität bilden die Attosekundenpulse der Forscher eine neue Generation. Mit ihren Experimenten ermöglichen die Garchinger Physiker, bisher unbeobachtete mikroskopische Vorgänge sichtbar zu machen. Elektronen sind in lebenswichtigen mikroskopischen Prozessen genauso wie in der Technik allgegenwärtig. Ihre blitzschnelle Bewegung bestimmt den Ablauf aller biologischen und chemischen Prozesse, wie auch die Geschwindigkeit der Mikroprozessoren, das Herzstück von Computern, erklärt Ferenc Krausz. Mancher dieser Prozesse, wie etwa die Energieübertragung zwischen Elektronen oder die Reaktion der Teilchen auf äußere Einflüsse, kann innerhalb weniger Attosekunden vonstatten gehen. Ferenc Krausz Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching [1] E. Goulielmakis, M. Schultze, M. Hofstetter, V. S. Yakovlev, J. Gagnon, M. Uiberacker, A. L. Aquila, E. M. Gullikson, D. T. Attwood, R. Kienberger, F. Krausz, U. Kleineberg, Single-Cycle Nonlinear Optics, Science 320, 1614 (2008). 26 Optik & Photonik Oktober 2008 Nr Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

5 Optik im Nanomaßstab Münchner Forscher haben in Zusammenarbeit mit der Firma Roche Diagnostics aus kleinsten Goldkügelchen einen winzigen optischen Resonator entwickelt. Die Realisierung von ultraschnellen Computern, bei denen die Information mittels Licht verarbeitet wird, scheiterte bis dato an einem durch die Natur des Lichts gegebenen Größenproblem: Die optischen Bauelemente sind noch zu groß, um in ausreichender Zahl auf einem Chip untergebracht zu werden. Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München am Lehrstuhl für Photonik und Optoelektronik von Professor Jochen Feldmann konnten nun aber in Zusammenarbeit mit der Firma Roche Diagnostics aus kleinsten Goldkügelchen ein optisches Bauelement entwickeln, das weniger als ein Zehntausendstel Millimeter groß ist. Das Licht wird hierbei zwischen die Kügelchen gequetscht. Mit einem derartigen Nano-Resonator könnte jetzt ein Miniatur-Laser in derselben Größenordnung Wirklichkeit werden. Solche für das Licht eigentlich zu kleinen Nano- Bauelemente sind eine wichtige Voraussetzung für Chip-basierte Computer, die mit Licht rechnen sollen, sagt Feldmann. Die jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Forschungsergebnisse entstanden im Rahmen des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM). Von Computern, die mit Licht statt mit elektrischem Strom funktionieren, träumen Wissenschaftler schon seit vielen Jahren. Der Vorteil liegt auf der Hand: Lichtstrahlen bestehen aus Photonen, also aus Teilchen ohne Ladung, die sich gegenseitig nicht beeinflussen. Überlagern sich etwa zwei Lichtstrahlen, dann kommt es nicht zu einer Störung der übertragenen Informationen. Dies wird bereits jetzt bei der Hochgeschwindigkeits Datenübertragung in Glasfaserkabeln aus genutzt, bei denen optische Signale unter schiedlicher Frequenzen gleichzeitig auf engstem Querschnitt verschiedene Daten übermitteln. In herkömmlichen Computern dagegen werden negativ geladene Elektronen zur Informationsübertragung genutzt. Aber auch die Verarbeitung von Informationen könnte mit Licht deutlich schneller vonstatten gehen, denn optische Computer könnten große Mengen unterschiedlicher Daten nicht nur gleichzeitig übertragen, sondern auch viel schneller bearbeiten. Ein grundlegendes Problem konnte bislang aber noch nicht gelöst werden. Die Erzeugung, der Transport und die Verarbeitung von Lichtwellen auf klassische Weise, etwa in einer Glasfaser, erfordern Strukturen, die mindestens so groß sind wie die halbe Wellenlänge des Lichtes selbst. Und die liegt für sichtbares Licht bei einigen hundert Nanometern. Zum Vergleich: Selbst die Leiterbahnen heutiger Computer- Schaltkreise sind zehnmal schmaler. Um eine vergleichbare Miniaturisierung bei Licht-Computern zu erreichen, sind also neuartige Konzepte gefragt. Ein zentraler Punkt ist dabei die Entwicklung von ultrakleinen optischen Bauelementen im Nanometer-Maßstab. Ein wichtiger Schritt ist jetzt gelungen. Denn Feldmann und seine Forscherkollegen konnten erstmals das wichtigste Bauteil eines Lasers, den optischen Resonator, im Nanometer-Maßstab entwickeln. Dafür setzten sie in Zusammenarbeit mit der Firma Roche Diagnostics in Penzberg biochemische Tricks auf unkonventionelle Weise ein und zwar mit Erfolg. In einem optischen Resonator wird Licht zwischen zwei Spiegeln hin- und her reflektiert, um eine Verstärkung zu erzielen. Dabei ist der Abstand der beiden Spiegel entscheidend. Er muss ein Vielfaches der halben Lichtwellenlänge betragen. Die Dimensionen des von den Münchner Wissenschaftlern entwickelten neuartigen Resonators sind aber viel kleiner. Er besteht aus kugelförmigen, etwa 40 Nanometer großen Gold-Partikeln, die im Abstand weniger Nanometer Paare bilden so genannte Dimere und mit Fluoreszenz-Farbstoffmolekülen verknüpft sind. Das physikalische Prinzip dahinter: Bereits ein einzelnes Gold-Partikel lässt sich zu Schwingungen seiner Elektronen anregen. Bildet es aber mit einem weiteren Partikel ein Dimer, so treten durch die Kopplung der als Plasmonen bezeichneten Elektronen-Schwingungen zwei neuartige Phänomene auf: Zum einen kommt es im Zwischenraum der Partikel zu einer enormen Überhöhung der elektrischen Feldstärke und damit der Fluoreszenz-Intensität des Farbstoffmoleküls. Zum anderen lässt sich die Resonanzfrequenz durch den Abstand der Partikel über einen großen Frequenzbereich hinweg verändern. Damit gleicht das Nanopartikel-Dimer einem Hohlraumresonator, der bei herkömmlichen Lasern zum Einsatz kommt und durch den Abstand der Spiegel reguliert werden kann. Über die Messung der Fluoreszenzstrahlung gelang den Münchner Wissenschaftlern der Nachweis dieses außergewöhnlichen Resonanzverhaltens der Gold-Dimere für Lichtwellenlängen zwischen 550 und 700 Nanometern, wobei der Partikel-Abstand zwischen 0,8 und 6,4 Nanometern variiert wurde. Eine Modellrechnung zur theoretischen Erklärung ihrer Ergebnisse haben die Forscher gleich mitgeliefert. Dabei ist vor allem die Physik der Farbstoffmoleküle entscheidend. Man muss berücksichtigen, dass die Energieniveaus der Elektronen mit den mechanischen Schwingungen der Moleküle verknüpft sind. Erst dann kann die resonante Verstärkung ganz bestimmter Emissionswellenlängen durch die Nano-Resonatoren korrekt erklärt werden. Jochen Feldmann Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) [1] M. Ringler, A. Schwemer, M. Wunderlich, A. Nichtl, K. Kürzinger, T. A. Klar und J. Feldmann, Shaping emission spectra of fluorescent molecules with single, plasmonic nanoresonators, Phys. Rev. Lett. 100, (2008) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 27

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