Max-Planck-Forscher nutzen Infrarotantenne als "Nano-Lupe"
Kristalle reflektieren nicht nur Licht in sichtbaren Wellenlängen, sondern teils auch weit außerhalb des sichtbaren Bereichs des Spektrums (400 bis 700 Nanometer). Infrarotlicht soll dabei wie bei einem metallischen Spiegel mit bis zu 100 Prozent reflektiert werden. Das liegt laut Max-Planck-Institut daran, dass die Atome in ihrem Kristallgitter ständig gegeneinander schwingen und deshalb das infrarote Licht nicht in den Kristall eindringen kann.
In der Theorie sei schon lange die Möglichkeit eines resonanzhaften Zusammenspiels dieser Schwingungen mit Infrarotstrahlung vorausgesagt worden, nur wäre es bislang nicht möglich gewesen, dieses wirklich sichtbar zu machen. Der Durchbruch soll jetzt dem Forscherteam Rainer Hillenbrand, Thomas Taubner und Fritz Keilmann in der Abteilung "Molekulare Strukturbiologie" des Max-Planck-Instituts für Biochemie gelungen sein. Laut Institutsangaben konnten die Forscher mit Hilfe von Infrarotlaserstrahlen die Resonanz der Kristallschwingung, die so genannte Phonon-Resonanz, aufzeichnen.
Die Martinsrieder Wissenschaftler beleuchteten einen Siliziumkarbid-Kristall mit Infrarotlicht mit einer Wellenlänge zwischen 8 und 12 Mikrometer (1 Mikrometer = 1.000 Nanometer) und betrachteten ihn dabei in ihrem so genannten "Nahfeldmikroskop". Bereits 1999 hatten sie ein chemisches Mikroskop für die Nanotechnik vorgestellt – damals hatten sie die Technik eines herkömmlichen Rastersondenmikroskops mit Infrarotbeleuchtung ergänzt und dadurch die Auflösung erhöhen können.
Wie bereits vor drei Jahren kombinieren die Wissenschaftler auch in ihrem neuen Mikroskop die Abtastnadel des Rastersondenmikroskops mit den Infrarotstrahlen von Lasern. Die Nadel wirkt für das eingestrahlte Infrarotlicht wie eine Antenne, die das Licht an ihrer Spitze stark bündelt. Die Resonanz der Schwingungen zeigt sich im reflektierten Infrarotlicht, das von einem Detektor aufgefangen wird. Trifft der Laserstrahl die Frequenz der Kristallschwingung, wird die Lichtkonzentration extrem verstärkt. Die neu entwickelte Nahfeldtechnik, gleichsam eine "Nano-Lupe", soll das Licht 300-mal schärfer bündeln als die beste Fokussierlinse. Diese gesteigerte Lichtintensität ermögliche es nun, in Kristallen kleinste Veränderungen bei einer Auflösung von nur einem Hunderttausendstel Millimeter (10 Nanometer) sichtbar zu machen. Im Vergleich soll ein herkömmliches Lichtmikroskop nur Strukturen von bis zu einem Tausendstel Millimeter zeigen können. Das neue Mikroskop könne man deshalb auch als optisches "Nanoskop" bezeichnen, so die Forscher.
Die Physiker am Max-Planck-Institut für Biochemie berechneten, dass die entscheidende Wellenlänge für die Wechselwirkung von Siliziumkarbid-Kristallen mit dem Laser bei 10,8 Mikrometer Wellenlänge liegen müsste. Als sie ihre Abtastantenne in einem Abstand von weniger als 30 Nanometern an den Kristall heranführten, stellten sie fest, dass sich die Infrarotfarbe (also das Infrarotspektrum) des Kristalls in diesen nanoskopisch kleinen Dimensionen völlig veränderte. Während der Kristall bei Infrarotbeleuchtung normalerweise metallisch glänze, leuchte er im Nano-Zoom hell und "farbig" auf. Im Infrarotbild bei 10,8 Mikrometer Wellenlänge zeige sich diese Resonanz dadurch, dass der Siliziumkarbid-Kristall im Vergleich zu Gold etwa 200 Mal heller aufleuchte.
Ihren laut eigenen Aussagen ersten praktischen Beweis für die Phonon-Resonanz haben die Wissenschaftler in ihrer aktuellen Publikation "Phonon-verstärkte Nahfeldwechselwirkung" getauft. Vorhergesagt wurde die Phonon-Resonanz bereits vor neunzehn Jahren von den Wissenschaftlern Aravind und Metiu von der University of California in Santa Barbara, USA.
Die Forscher vom Max-Planck-Institut wollen mit ihrer Entdeckung eine Grundlage für infrarot-optische Technologien gelegt haben, die gegenüber den auf "Plasmonen" (kollektive Schwingungen der Elektronen) beruhenden optischen Nanotechnologien über höhere Lichtintensitäten und schärfere Resonanzen verfügen sollen. So würden schon kleinste Veränderungen in einem Kristall – sei es durch Verzerrung oder Verschmutzung – die Resonanz verstimmen und mit dem neuen "Nanoskop" leicht erkannt werden.
Neben dem Einsatz in Materialwissenschaften und Mineralogie würden sich weitere Anwendungen bei der Untersuchung von Kristallwachstum und Kristalldegeneration in biologischen Mineralien abzeichnen, wie z.B. in Zähnen oder Knochen (Osteoporose). Zudem biete die Kombination der Phonon-Resonanz mit der Nahfeldmikroskopie auch neue Möglichkeiten für die Datenspeicherung: Im Vergleich zu konventionellen optischen Leseverfahren (CD-ROM, MO, DVD) könnten Daten mit hundertmal größerer Speicherdichte optisch ausgelesen werden, so die Forscher – ein entsprechendes Patent soll bereits angemeldet worden sein.
Insgesamt soll die experimentelle Bestätigung der Phonon-Resonanz dem gesamten Bereich der Optik, Photonik und Mikroskopie eine neue Richtung geben: Jetzt lohnt es sich laut Max-Planck-Institut, auch die Infrarotstrahlung im mittleren Infrarot (3 bis 30 Mikrometer Wellenlänge) zu verwenden, zusätzlich zum sichtbaren Bereich (400 bis 700 Nanometer Wellenlänge) und zum Nah-Infrarot in der Telekommunikation (1,5 Mikrometer Wellenlänge). Die aktuelle Entwicklung winziger Halbleiterlaser, so genannter Quantenkaskadenlaser, komme den Mikroskop-Entwicklern dabei sehr entgegen. Sie wollen in Zukunft neue Halbleiterlaser für die Weiterentwicklung ihres Nahfeldmikroskops nutzen, um künftig auch aus biologischen Bausteinen erzeugte Kristalle untersuchen zu können.