Bildgebendes Verfahren in der Quantenwelt.

  
aus scinexx.de, 5. 2. 2026                                                                                     zu Jochen Ebmeiers Realien

Quantenoptisches Mikroskop erreicht atomare Auflösung  

Kombination aus Tunneleffekt und Laserstrahlung überwindet Auflösungsgrenze des Lichts 

Physiker haben ein Mikroskop entwickelt, das selbst atomkleine Strukturen sichtbar macht. Das Besondere daran: Nötig sind dafür nur eine ultrafeine Metallspitze, der Laserstrahl eines gängigen Infrarotlasers und ein Quanteneffekt: Tunnelnde Elektronen hinterlassen im Laserlicht charakteristische Signaturen, die Informationen über die Probe und ihre Struktur liefern. Diese neue Version der Nahfeld-optischen Mikroskopie (NOTE) eröffnet neue Möglichkeiten, atomare Prozesse zu erforschen, wie das Team erklärt.

Beim Blick in kleinste Strukturen stößt die Optik an eine grundlegende Grenze: das Licht selbst. Herkömmliche optische Mikroskope können keine Strukturen auflösen, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Um diese Abbesche Auflösungsgrenze zu überwinden, haben Physiker jedoch einige Tricks entwickelt. So nutzen das STED-Mikroskop und Quantengasmikroskope eine induzierte Fluoreszenz, andere Quantenmikroskope schärfen das Bild mithilfe verschränkter Photonen. 

Funktionsprinzip des NOTE-Mikroskops: Tunnelnde Elektronen zwischen Spitze und Probe verändern das eingestrahlte Laserlicht. Die dabei freigesetzte Emission liefert nahezu atomgenaue Informationen zur Probe. 

Metallspitze, tunnelnde Elektronen und Laserlicht

Ein weiterer neuer Ansatz ist das Nahfeld-optische Tunnelmikroskop (NOTE). Diese 2024 von Thomas Siday von der University of Birmingham erstmals vorgestellte Technik kombiniert das Prinzip des Rastersondenmikroskops mit der laserbasierten Messung. Dabei wird eine atomar feine Metallspitze dicht an die Atome der Probenoberfläche herangeführt. Im zweiten Schritt beschießen die Physiker den nur wenige Atombreiten schmalen Spalt zwischen Spitze und Probe mit ultrakurzen Laserpulsen.

Dieser Laserbeschuss löst einen quantenmechanischen Effekt im winzigen Spalt zwischen Mikroskopspitze und Probe aus: Elektronen beginnen, den wenige Nanometer kleinen Abstand zu durchtunneln – sie überwinden die bestehenden Energiebarrieren und bewegen sich zwischen beiden hin und her. Der Clou dabei: Dieses Tunneln verändert das eingestrahlt Laserlicht auf charakteristische Weise und erlaubt es dadurch, Informationen über Abstand, Leitfähigkeit und andere Merkmale der Probe zu gewinnen.

Das Problem jedoch: Die bisherige Version des NOTE-Mikroskops funktionierte nur mit Terahertzstrahlung und erforderte daher teure Speziallaser.

Vergleich der gepulsten Terahertz-Version (links) mit der neuen, auf einem gängigen Dauerstrichlaser beruhenden NOTE-Technik.

Infrarot-Dauerlaser statt aufwendiger Terahertzpulse

Das hat sich nun geändert: Dem Team um Siday und Erstautor Felix Schiegl von der Universität Regensburg hat eine Version des NOTE-Mikroskops konstruiert, die mit einem einfachen, kommerziell erhältlichen Infrarotlaser läuft. „Wir beobachten optische Signale, die auf Nanometer-Längenskalen moduliert werden“, berichten die Physiker. Im Test ließen sich dadurch Probenstrukturen auf atomarer Längenskala bis hinunter zu etwa 0,1 Nanometern messen.

„Wir messen wir damit 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“, sagt Schiegl. Schon ein tunnelndes Elektron, das sich über eine Distanz kleiner ein Atomdurchmesser bewegt, reicht aus, um ein messbares optisches Signal zu erzeugen.

Vorstoß in zuvor kaum erreichbare Dimensionen

Nach Ansicht der Physiker ist dies ein echter Durchbruch in der Mikroskopietechnik. Denn es demonstriere, dass optische Messungen heute in Dimensionen vorstoßen können, die lange als unerreichbar galten. Besonders bemerkenswert sei, dass diese Auflösungen auch mit einem handelsüblichen Dauerstrichlaser erreichbar sind. „Die Beobachtung einer Nahfeld-optischen Tunnelemission unter Dauerlaser ist bemerkenswert, denn typischerweise erforderte dies ultrakurze Hochleistungs-Laserpulse“, schreibt das Team.

Mit der neuen NOTE-Technik sind solche leistungsstarken und teuren ultraschnellen Lasersysteme jedoch nicht mehr erforderlich. Dadurch wird die Methode technisch einfacher zugänglich und könnte künftig in vielen Laboren weltweit eingesetzt werden. Damit eröffnet dieser Ansatz neue Möglichkeiten, die Wechselwirkung von Licht und Materie auf der Ebene einzelner Atome zu erforschen. (Nano Letters, 2026; doi: 10.1021/acs.nanolett.5c05319)

Quelle: Universität Regensburg; 5. Februar 2026 - von Nadja Podbregar

 

Nota. - Eine kategorische "immanente" Grenze zwischen unserer lebensweltlichen Mesosphäre und der mikrokosmischen Quantenwelt gibt es nicht, denn ab jetzt können wir in die Mikrowelt hineinsehen -  mit einer technischen Prothese zwar, aber doch sinnlich mit eigenen Augen. Im Prinzip ist es nicht anders, als wenn wir durch eine Brille schauen - während wir bislang Messwerte in eine mathematische Formel eintragen und uns dabei was denken mussten. Nicht, dass es die Grenze gar nicht mehr gäbe - aber sie ist überwindbar.

JE