Atomare Auflösung mit Licht: Forschungsteam gelingt Durchbruch der Quantenoptik

Die optische Mikroskopie gehört seit Langem zu den zentralen Methoden, um die Struktur der materiellen Welt sichtbar zu machen. Sie ermöglicht Einblicke in biologische Zellen, chemische Reaktionen und technische Materialien und hat unser Verständnis von Naturprozessen nachhaltig geprägt. Gleichzeitig ist sie jedoch an eine grundlegende physikalische Grenze gebunden. Aufgrund der Wellennatur des Lichts lassen sich Details nur bis zu einer bestimmten Größe auflösen. Diese sogenannte Beugungsgrenze verhindert, dass klassische Lichtmikroskope Strukturen erfassen können, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Der atomare Maßstab blieb damit lange Zeit außerhalb der Reichweite optischer Verfahren. Zwar existieren mit der Elektronenmikroskopie leistungsfähige Alternativen, doch diese liefern andere Informationen als lichtbasierte Methoden. Vor diesem Hintergrund wächst seit einigen Jahren das Interesse an Ansätzen, die quantenmechanische Effekte nutzen, um die etablierten Grenzen der Optik zu überwinden.

Wenn Licht an seine Grenzen stößt

In der klassischen Optik bestimmt die Fokussierbarkeit des Lichts, welche Details sichtbar werden können. Selbst moderne Super-Resolution-Techniken, die die Beugungsgrenze umgehen, arbeiten überwiegend im Nanometerbereich und stoßen irgendwann an physikalische und technische Limitierungen. Der entscheidende Engpass liegt darin, dass Licht als elektromagnetische Welle nicht beliebig stark räumlich eingeengt werden kann, ohne seine Eigenschaften zu verlieren. Für die direkte optische Abbildung einzelner Atome reicht dies nicht aus.

Ein neuer Ansatz setzt daher nicht mehr allein beim Licht an, sondern bei der Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen auf kleinsten Skalen. In einem quantenoptischen Mikroskop wird eine extrem feine metallische Spitze bis auf Abstände unterhalb eines Atomdurchmessers an eine Probe herangeführt. In diesen winzigen Spalt wird infrarotes Licht eingekoppelt, wodurch ein stark lokalisiertes elektrisches Feld entsteht. Dieses Feld regt Elektronen in Spitze und Probe an, sich zu bewegen. Entscheidend ist, dass diese Bewegung nicht klassisch beschrieben werden kann, sondern durch quantenmechanisches Tunneln ermöglicht wird. Elektronen überwinden dabei einen Raum, der ihnen nach klassischem Verständnis verschlossen wäre.

Quantenmechanik als Messinstrument

Die tunnelnden Elektronen erzeugen eine messbare elektromagnetische Emission, die als optisches Signal detektiert wird. Die räumliche Auflösung dieses Signals hängt nicht von der Wellenlänge des Lichts ab, sondern von der Ausdehnung der Elektronenbewegung selbst. Damit verschiebt sich das Auflösungslimit in den atomaren Bereich. Ein einzelnes Atom kann so einen messbaren Beitrag zum Signal liefern.

Beteiligte Forscher:innen betonen die Bedeutung dieses Effekts. „Es ist erstaunlich, dass bereits die Bewegung eines einzelnen Elektrons über eine Strecke kleiner als ein Atom ein ausreichend starkes Lichtsignal erzeugt“, wird einer der beteiligten Physiker zitiert. Ein anderer hebt hervor, dass der entscheidende Fortschritt darin liege, „dass nicht mehr das Licht selbst fokussiert werden muss, sondern die quantenmechanische Dynamik der Elektronen den Maßstab vorgibt“. Die optische Messung wird damit zu einer indirekten, aber hochpräzisen Sonde atomarer Prozesse.

Optische Methoden sind weniger aufwändig als Elektronenmikroskope

Im Vergleich zu etablierten Mikroskopietechniken eröffnet dieser Ansatz neue Möglichkeiten. Elektronenmikroskope erreichen zwar ebenfalls atomare Auflösung, erfordern jedoch aufwendige Bedingungen wie Hochvakuum und liefern primär strukturelle Informationen. Optische Methoden hingegen sind besonders geeignet, elektronische Eigenschaften, lokale Felder oder dynamische Prozesse zu untersuchen. Das quantenoptische Mikroskop verbindet diese Stärken erstmals mit atomarer Detailgenauigkeit.

Langfristig könnte dies erhebliche Auswirkungen auf verschiedene Forschungsfelder haben. In der Materialwissenschaft ließen sich elektronische Eigenschaften einzelner Atome oder Defekte direkt untersuchen. In der Nanotechnologie könnten Grenzflächen und atomare Übergänge präziser charakterisiert werden. Auch für die Grundlagenforschung ist der Ansatz relevant, da er experimentellen Zugang zu quantenmechanischen Prozessen bietet, die bislang nur theoretisch beschrieben werden konnten. Die Arbeit markiert damit nicht nur einen technischen Fortschritt, sondern erweitert das Verständnis davon, wie Licht, Materie und Quantenmechanik auf kleinsten Skalen zusammenwirken.

via Universität Regensburg