Nanoskop macht Quantenpunkte sichtbar

Zoom aufs Atom: Forscher haben ein neues Lasermikroskop entwickelt, das Atome weit unterhalb der normalen Auflösungsgrenze sichtbar machen kann. Im Gegensatz zur STED-Mikroskopie kann das neue Nanoskop dabei auch Quantenpunkte abbilden – künstliche Atome in einem Halbleiter, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Photonics“ berichten. Spannend ist dies unter anderem für künftige Quantenspeicher, aber auch für die quantenmechanische Forschung.

Für die Lichtmikroskopie schien lange klar: Die Auflösung dieser Technik ist auf die halbe Wellenlänge des Lichts begrenzt. Ist das Objekt kleiner, machen Beugungsphänomene das Bild zu unscharf. Dann jedoch entwickelte der Göttinger Forscher Stefan Hell die STED-Mikroskopie und konnte damit noch Strukturen von 20 bis 30 Nanometern sichtbar machen. Er bekam dafür 2014 den Nobelpreis für Chemie.

Zirpende Laserpulse

Doch die STED-Mikroskopie hat einen Haken: Sie funktioniert nur bei Molekülen, die sich durch einen Laser zur Fluoreszenz anregen lassen und dabei mindestens vier verschiedene Energieniveaus einnehmen. Atome, die nicht in einen solchen langlebigen metastabilen Zustand gebracht werden können und kleiner und kurzlebiger sind, ließen sich auch mit STED nicht abbilden – bisher.

Jetzt jedoch haben Timo Kaldewey von der Universität Basel und seine Kollegen eine Methode entwickelt, die auch Atome mit nur zwei Energiezuständen abbilden kann. Ähnlich wie bei beim STED-Mikroskop regen die Forscher dafür die Atome mit einem Laser an. Dieser jedoch sendet sogenannte gechirpte Pulse aus – kurze Pulse, deren Frequenz sich ändert. Im Prinzip wechselt das Laserlicht dadurch während jedes Pulses seine Farbe.

Eingesperrte Elektronen als Lichtpunkte

Die Forscher wendeten diese gechirpten Laserpulse auf künstliche Atome, sogenannte Quantenpunkte an. Dabei handelt es sich um rund zehn Nanometer kleine Inseln in Halbleitern, in die sich einzelne Elektronen einsperren lassen. Ähnlich wie in Atomen könne diese Elektronen nur zwei bestimmte Energieniveaus einnehmen. Solche Zweizustandssysteme bilden wichtige Modellsysteme für die Quantenmechanik.

Die Laserpulse regten die Quantenpunkte an und ließen die Elektronen das Energieniveau wechseln. Dies löste ein Fluoreszieren aus, das die künstlichen Atome im Kristall als helle Lichtpunkte sichtbar machte. Die Forscher konnte diese Lichtpunkte noch bis zu einer Größe von 30 Nanometern abbilden. Mit ihrem neuen Nanoskop haben sie damit eine Auflösung erreicht, die einem Einundreißigstel der Wellenlänge des benutzten Lichtes entspricht.

Breite Anwendung

„Dies hebt das Verfahren der von Stefan Hell entwickelten Mikroskopie auf ein neues Niveau“, sagt Seniorautor Richard Warburton von der Universität Basel. „Nahezu jedes Quantensystem kann auf diese Weise nanoskopisch untersucht werden. Unser Nanoskop eignet sich für alle Objekte, die zwei Energieniveaus besitzen so wie echte Atome, kalte Moleküle, Quantenpunkte oder Farbzentren.“

Anders als bei der STED-Mikroskopie setzt die neue Methode keine Wärme frei. „Das ist ein großer Vorteil, da freigesetzte Wärme die untersuchten Moleküle zerstören kann“, erklärt Richard Warburton. Weil sich mit dem neuen Nanoskop zudem gezielt die Zustände von Quantenpunkten ändern lassen, ist dies auch ein vielversprechendes Werkzeug, um beispielsweise künstliche Atome als Quanteninformationseinheiten nutzen zu können. (Nature Photonics, 2018; doi: 10.1038/s41566-017-0079-y)

(Universität Basel, Ruhr-Universität Bochum, 24.01.2018 – NPO)