Neue Mikroskopiemethode liefert Echtzeitvideos aus dem Mikrokosmos
Ein Wissenschaftsteam unter Leitung des Max-Born-Instituts Berlin, Helmholtz-Zentrums Berlin, Brookhaven National Laboratory (USA) und Massachusetts Institute of Technology (USA) hat eine neue Methode entwickelt, um mit Röntgenstrahlen Videos von Fluktuationen in Materialien auf der Nanoskala aufzunehmen. Die Methode kann scharfe, hochauflösende Bilder machen, ohne das Material durch zu starke Belichtung zu beeinträchtigen. Dafür entwickelten die WissenschaftlerInnen einen Algorithmus, der in unterbelichteten Aufnahmen Muster erkennen kann. In Nature beschreiben sie die Methode des Coherent Correlation Imaging (CCI) und stellen Ergebnisse für Proben aus dünnen magnetischen Schichten vor.
Die Welt in ihren kleinsten Dimensionen ist voller Bewegung und von
ständigem Wandel gekennzeichnet. Selbst in festen, äußerlich
unveränderlichen Materialien können solche Fluktuationen für
ungewöhnliche Eigenschaften sorgen, zum Beispiel – wie im Fall der
Hochtemperatursupraleiter – für den verlustlosen Transport von
elektrischem Strom. Besonders stark sind die Fluktuationen bei
Phasenübergangen, wenn ein Material seinen Zustand ändert, zum Beispiel
von fest nach flüssig beim Schmelzen. Die Wissenschaft untersucht aber
auch Zustandsänderungen eines Materials von nicht-leitend zu leitend,
nicht-magnetisch zu magnetisch oder Änderungen der Kristallstruktur.
Viele dieser Prozesse werden technisch genutzt oder spielen auch in
lebenden Organismen eine Rolle.
Das Dilemma: zu starke Beleuchtung zerstört die Probe
Allerdings
ist es extrem schwierig, diese Prozesse genau zu beobachten oder sogar
einen Film von den Fluktuationsmustern zu machen. Das Problem ist, dass
die Fluktuationen sehr schnell sein können und sich auf der Größe von
Nanometern abspielen – einem Millionstel Millimeter. Selbst
hochauflösende Röntgen- und Elektronenmikroskope konnten diese schnelle,
zufällige Bewegung nicht aufnehmen. Tatsächlich ist das Problem sogar
prinzipieller Natur, wie am Beispiel einer Fotoaufnahme klar wird: Für
jede scharfe Aufnahme eines Objekts benötigt man ein Mindestmaß an
Beleuchtung. Möchte man das Objekt vergrößert abbilden, also
„hineinzoomen“, muss man die Beleuchtung verstärken. Noch mehr Licht
wird benötigt, wenn der Schnappschuss auch noch mit sehr kurzer
Belichtungszeit gemacht werden soll, um die Bewegung zu einem gewissen
Zeitpunkt im Bild einzufrieren. Eine immer bessere räumliche und
zeitliche Auflösung führt damit irgendwann zu dem Punkt, wo ein
mikroskopisches Objekt so stark beleuchtet werden müsste, dass man es
mit der Beleuchtung verändert oder gar zerstört. Genau an diesem Punkt
war die Wissenschaft in den letzten Jahren angekommen: Schnappschüsse,
die mit Freien-Elektronen-Lasern, den heute intensivsten verfügbaren
Röntgenquellen, aufgenommen wurden, führten unweigerlich zur Zerstörung
der untersuchten Probe. An einen aus vielen Einzelbildern bestehenden
Film der zufallsartigen Vorgänge war nicht zu denken.
Neuer Ansatz: Ein Algorithmus hilft, schwach belichtete Bilder auszuwerten
Ein
internationales Forschungsteam hat nun eine Lösung für dieses Dilemma
gefunden. Ausgangspunkt war die Erkenntnis, dass die Fluktuationsmuster
in den Materialien oft gar nicht so zufällig sind. Schaut man sich nur
einen sehr kleinen Bereich der Probe an, dann fällt auf, dass bestimmte
räumliche Muster immer wieder auftreten. Wann und wie oft aber welches
Muster erscheint, lässt sich nicht vorhersagen.
Die
WissenschaftlerInnen entwickelten eine neue Methode zur
zerstörungsfreien Abbildung, die sie Coherent Correlation Imaging (CCI)
nennen: Um ein Video zu erstellen, nehmen sie weiterhin viele
Schnappschüsse der Probe hintereinander auf. Dabei verringern sie die
Beleuchtung so weit, dass die Probe intakt bleibt. Das führt allerdings
dazu, dass sich in einer einzelnen Aufnahme das Fluktuationsmuster in
der Probe nicht mehr erkennen lässt. Die Aufnahmen enthalten aber immer
noch genügend Informationen, um sie voneinander zu unterscheiden und in
Gruppen einzuteilen. Dafür musste das Team erst einen neuen Algorithmus
entwickeln, der die Korrelationen zwischen den Aufnahmen analysiert –
daher der Name der Methode. Die Aufnahmen in jeder Gruppe ähneln sich
stark und stammen deshalb mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit von einem
bestimmten Fluktuationsmuster. Erst in der Zusammenschau aller in einer
Gruppe zusammengefassten Aufnahmen entwickelt sich ein scharfes Bild der
Probe. Die WissenschaftlerInnen können nun den Film zurückspulen und
jeder Aufnahme ein scharfes Bild des Zustands der Probe zu diesem
Zeitpunkt zuordnen.
Beispiel: Fluktuationen von magnetischen Domänen gefilmt
Mit
Hilfe dieser neuen Methode haben die WissenschaftlerInnen ein
interessantes Problem aus der Welt des Magnetismus analysiert. Sie
schauten sich mikroskopisch kleine Muster an, wie sie in sehr dünnen
ferromagnetischen Schichten auftreten. Diese Schichten bilden so
genannte Domänen aus: Bereiche, wo die Magnetisierung nach oben zeigt
und Bereiche, wo sie nach unten zeigt. Ähnliche magnetische Schichten
werden in heutigen Festplatten eingesetzt, um mit den unterschiedlichen
Bereichen die Daten als Bits „0“ und „1“ auf der Festplatte zu kodieren.
Bisher glaubte man, dass diese Muster sehr stabil sind. Doch trifft das
wirklich zu?
Um dies herauszufinden, untersuchte das Team eine
eben solche dünne magnetische Schicht an einer der modernsten
Röntgenstrahlungsquellen, der National Synchrotron Light Source II auf
Long Island nahe New York, mit der neu entwickelten Methode CCI.
Tatsächlich stellten sie fest, dass sich die Muster bei Raumtemperatur
nicht ändern. Erhöht man aber die Temperatur nur leicht auf 37°C, fangen
die Bereiche an, sich sprunghaft hin- und herzubewegen und sich
gegenseitig zu verdrängen. Diesen „Tanz der Domänen“ beobachteten die
WissenschaftlerInnen über mehrere Stunden und erstellten im Anschluss
eine Art „Landkarte“, die die bevorzugte Lage der Grenzen zwischen den
Domänen zeigt. Diese Karte und der Film der Bewegungen erlauben es nun,
die magnetischen Wechselwirkungen in den Materialien besser zu verstehen
und diese für zukünftige Anwendungen in neuartigen
Computerarchitekturen zu nutzen.
Großer Fortschritt für Materialforschung und Festkörperphysik an Röntgenquellen
Das
nächste Ziel der WissenschaftlerInnen ist es, die neue
Abbildungsmethode an Freien-Elektronen-Lasern wie dem European XFEL in
Hamburg zu nutzen, um Einblicke in noch viel schnellere Prozesse auf den
kleinsten Längenskalen zu gewinnen. Sie sind überzeugt, dass ihre
Methode dazu beitragen wird, die Rolle von Fluktuationen und
stochastischen Prozessen für die Eigenschaften moderner Materialen
besser zu verstehen und damit auch neue Wege zu entdecken, wie sie sich
gezielt ausnutzen lassen.
Quelle: Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V. (01/2023)
Publikation: Christopher
Klose, Felix Büttner, Wen Hu, Claudio Mazzoli, Kai Litzius, Riccardo
Battistelli, Ivan Lemesh, Jason M. Bartell, Mantao Huang, Christian M.
Günther, Michael Schneider, Andi Barbour, Stuart B. Wilkins, Geoffrey S.
D. Beach, Stefan Eisebitt and Bastian Pfau Coherent correlation imaging for resolving fluctuating states of matter Nature (online) (2023); DOI: 10.1038/s41586-022-05537-9 https://www.nature.com/articles/s41586-022-05537-9
Ein Wissenschaftsteam unter Leitung des Max-Born-Instituts Berlin, Helmholtz-Zentrums Berlin, Brookhaven National Laboratory (USA) und Massachusetts Institute of Technology (USA) hat eine neue Methode entwickelt, um mit Röntgenstrahlen Videos von Fluktuationen in Materialien auf der Nanoskala aufzunehmen. Die Methode kann scharfe, hochauflösende Bilder machen, ohne das Material durch zu starke Belichtung zu beeinträchtigen. Dafür entwickelten die WissenschaftlerInnen einen Algorithmus, der in unterbelichteten Aufnahmen Muster erkennen kann. In Nature beschreiben sie die Methode des Coherent Correlation Imaging (CCI) und stellen Ergebnisse für Proben aus dünnen magnetischen Schichten vor.
