Ein Quantensprung in der optischen Mikroskopie

Forschende aus Regensburg und Birmingham haben eine fundamentale Grenze der optischen Mikroskopie durchbrochen, indem sie mithilfe quantenmechanischer Effekte erstmals optische Messungen mit atomarer Auflösung realisierten. Während der technische Fortschritt – von der Smartphone-Kamera bis zum Weltraumteleskop – stets nach feineren Details strebt, setzte die Wellennatur des Lichts dieser Entwicklung bislang eine physikalische Schranke. Aufgrund der Beugung lässt sich Licht nicht beliebig stark fokussieren, weshalb herkömmliche Mikroskope keine Strukturen auflösen können, die deutlich kleiner als die verwendete Wellenlänge sind. Diese Barriere verhinderte bisher die direkte optische Beobachtung elementarer Materiebausteine.

Durchbruch in der Mikroskopie: Optik auf atomarer Ebene

Die Forschenden haben einen innovativen Weg gefunden, die herkömmlichen Grenzen der Optik zu überwinden, indem sie mit einem kommerziellen Dauerstrichlaser Messungen auf der Größenskala einzelner Atome realisierten. Das Herzstück dieser Methode ist eine extrem scharfe Metallspitze, die bis auf weniger als einen Atomradius an die Probenoberfläche herangeführt wird. Ein Infrarotlaser beleuchtet dieses System und konzentriert das Licht präzise im winzigen Spalt zwischen Spitze und Oberfläche, wodurch die klassische Beugungsgrenze effektiv umgangen wird. Die dabei erzielte räumliche Auflösung orientiert sich am Krümmungsradius des Spitzenendes und erreicht typischerweise Werte von etwa 10 Nanometern.

Trotz der enormen Verbesserung gegenüber herkömmlichen Fernfeldmethoden reichte diese Auflösung zunächst noch nicht aus, um atomare Strukturen abzubilden. Auf der Suche nach der ultimativen Grenze näherten die Forschenden die Spitze deshalb schrittweise immer weiter an die Oberfläche an. Die Ergebnisse übertrafen schließlich alle Erwartungen: „Bei extrem kleinen Abständen nahm das Signal plötzlich enorm zu“, berichtet Felix Schiegl von der Universität Regensburg. „Zunächst war uns die Ursache vollkommen unklar. Die eigentliche Überraschung kam, als wir feststellten, dass wir Strukturen auf atomarer Längenskala bis hinunter zu etwa 0,1 Nanometern messen konnten.“

Messungen jenseits der Beugungsgrenze

Der Schlüssel zum Verständnis dieses Effekts liegt in der Quantenmechanik: Auch wenn sich Spitze und Oberfläche im klassischen Sinn nicht berühren, können Elektronen quantenmechanisch zwischen beiden tunneln. Das oszillierende elektrische Feld des infraroten Lichts versetzt diese tunnelnden Elektronen in eine periodische Bewegung. Analog zu schwingenden Ladungen in einer Antenne erzeugt diese Bewegung eine spezifische elektromagnetische Strahlung, die als Nahfeld-optische Tunnelemission („Near-Field Optical Tunneling Emission“, NOTE) bezeichnet wird.

„Es ist erstaunlich, dass bereits ein Elektron, das sich nur alle hundert Lichtzyklen über eine Distanz bewegt, die kleiner ist als ein Atomdurchmesser, ein messbares optisches Signal erzeugen kann“, sagt Dr. Tom Siday von der Universität Birmingham. Aus diesem emittierten Licht lassen sich die Elektronenbewegung und damit auch Materialeigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit mit atomarer Präzision bestimmen. „Der entscheidende Punkt ist, dass wir nicht mehr durch die räumliche Ausdehnung des Lichts begrenzt sind“, erklärt Valentin Bergbauer von der Universität Regensburg. „Stattdessen messen wir direkt quantenmechanische Elektronenbewegungen auf atomaren Längenskalen – ein echter Quantensprung, der die Auflösung optischer Mikroskopie im Vergleich zu herkömmlichen lichtbasierten Mikroskopen um nahezu den Faktor hunderttausend verbessert.“

Atomare Präzision für das Standardlabor

Besonders bemerkenswert ist, dass dieser Effekt mit einem handelsüblichen Dauerstrichlaser beobachtet werden kann. Damit sind leistungsstarke und teure ultraschnelle Lasersysteme, die bislang als notwendig galten, nicht mehr erforderlich. Diese Entdeckung macht die Methode technisch deutlich einfacher zugänglich und ebnet den Weg für einen künftigen Einsatz in zahlreichen Laboren weltweit. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass optische Messungen durch die präzise Kontrolle atomar scharfer Spitzen heute in Dimensionen vorstoßen können, die lange Zeit als unerreichbar galten. Perspektivisch eröffnet dieser Ansatz völlig neue Möglichkeiten, die Wechselwirkung von Licht und Materie auf der Ebene einzelner Atome zu untersuchen. Dies erlaubt ein tieferes Verständnis darüber, wie Prozesse auf den kleinsten Skalen die makroskopischen Eigenschaften von Materialien bestimmen.

Quelle

Universität Regensburg (01/2026)