Nano-Optik

Der Einsatz optischer Methoden, mit denen sich einzelne Nanoteilchen und Nanostrukturen herstellen, untersuchen und manipulieren lassen, konstituiert das junge interdisziplinäre Gebiet der Nano-Optik, das sich im letzten Jahrzehnt als besonders dynamisch erwiesen hat.

Die experimentelle Erforschung des Übergangs von der Quantenwelt einzelner Atome zu großen Molekülen und Clustern bis zu makroskopischen Festkörpern ist ein spannendes aktuelles Forschungsthema. Indem man einzelne Teilchen beobachtet und untersucht, erhält man Detailinformationen, die sich durch Untersuchung von Ensembles aus vielen unterschiedlichen Partikeln nicht gewinnen lassen. Der Einsatz optischer Methoden, mit denen sich einzelne Nanoteilchen und Nanostrukturen herstellen, untersuchen und manipulieren lassen, konstituiert das junge interdisziplinäre Gebiet der Nano-Optik, das sich im letzten Jahrzehnt als besonders dynamisch erwiesen hat.

Mikroskopaufnahme eines biologischen Makromoleküls

In Chemie und Materialwissenschaften möchte man optische Prozesse, wie die Energieübertragung zwischen einzelnen Molekülen, auf der Skala von nur wenigen Nanometern beobachten und kontrollieren. In der Biologie kann ein einzelnes fluoreszierendes Molekül oder leuchtendes Nanoteilchen dazu dienen, die in vivo Dynamik eines komplexen biologischen Systems mit bisher unerreichter räumlicher Präzision sichtbar zu machen. Lässt doch die extrem geringe Größe eines einzelnen Moleküls und die Empfindlichkeit seiner optischen Eigenschaften gegenüber äußeren Störungen es zum idealen „Spion“ seiner nanoskopischen Umgebung werden. Ferner strahlt ein einzelnes Molekül, im Gegensatz zu konventionellen Lichtquellen oder Lasern, immer nur ein Photon auf einmal aus. Solches, aus einzelnen Photonen bestehendes Licht wird zur Zeit von verschiedenen Gruppen verwendet, um Informationen quantenmechanisch zu verschlüsseln.

Angesichts der geringen Fluoreszenzintensität eines einzelnen Moleküls, muss man es mit einer sehr hellen Lichtquelle beleuchten, um es „sehen“ oder detektieren zu können. Zudem benötigt man einen sehr empfindlichen Detektor mit einer hohen räumlichen Auflösung, die das Signal vom Hintergrundsignal trennt, das die Nachbarmoleküle verursachen. In den letzten zehn Jahren ist die Detektion einzelner Moleküle in Flüssigkeiten, auf Oberflächen und in Festkörpern vom Demonstrationsexperiment zur Routine gereift (Abb. 1). Dennoch leiden zur Zeit alle diese Untersuchungen bei Raumtemperatur unter photophysikalischen und photochemischen Problemen, die nach wenigen Minuten zur Auslöschung der Fluoreszenz führen. Die Suche nach besseren lichtemittierenden nanoskopischen Systemen ist ein sehr gutes Beispiel für die interdisziplinäre Natur der Nanowissenschaften, da bei dieser Suche die Innovation der Chemiker in der Synthese, das Know-how der Materialwissenschaftler in der kontrollierten Fabrikation und das Talent der Physiker in der Untersuchung fundamentaler Phänomene zusammen kommen müssen.

Nanoteilchen als optische Instrumente

Prinzip Nahfeldmikroskopie

Wie bereits erwähnt, spielt eine hohe räumliche Auflösung eine entscheidende Rolle bei Experimenten mit Nanoteilchen und Nanostrukturen. Über mehr als ein Jahrhundert galt der Lehrsatz, dass man sehr kleine Strukturen mit einem optischen Mikroskop nicht getrennt voneinander sehen kann, wenn sie dichter nebeneinander liegen als die halbe Wellenlänge des Lichtes, mit dem man sie beleuchtet. Seit etwa zwanzig Jahren weiß man aber, dass diese Aussage nicht korrekt ist, wenn das Objekt mit einer Lichtquelle beleuchtet wird, die deutlich kleiner ist als die Lichtwellenlänge und die zudem nur wenige Nanometer vom Objekt entfernt ist. Bei solch kleinen Abständen hat das Licht noch nicht seinen vollen Wellencharakter entwickelt und besitzt einen Anteil, der sich zwar nicht über große Entfernungen ausbreiten kann, der aber dennoch Informationen über die winzig kleine Struktur der beleuchteten Probe trägt.

Seit ihrer ersten Demonstration im Jahr 1984 hat die optische Nahfeldmikroskopie (Scanning Near-field Optical Microscopy oder SNOM) ein explosionsartiges Wachstum und vielfältigen Einsatz in der Physik, der Biologie, der Chemie und in den Materialwissenschaft erlebt. Bei dieser Methode lässt man Licht zumeist durch eine Subwellenlängenöffnung oder Apertur am Ende einer metallisierten Spitze auf die Probe fallen (Abb. 2, unten). Eine solch kleine Öffnung behindert zunächst den Austritt des Lichts. Erst durch Wechselwirkung mit einer Struktur direkt unterhalb der Apertur kann das Licht in den freien Raum gestreut werden, wo man es schließlich detektiert (Abb. 2, oben). Die auf diese Weise erreichbare Auflösung hängt von der Größe der Öffnung und ihrem Abstand von der Probe ab und kann bis hinunter zu etwa 50 Nanometern gehen. Ein Bild der Probe erhält man dann, indem man sie punktweise abrastert.

Um eine ultrahohe Auflösung zu erreichen, liegt es nahe, ein einzelnes Molekül als Lichtquelle zu benutzen. Doch diese Methode stellt die Experimentatoren vor große Herausforderungen. Durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen einem solchen präzise vor der Oberfläche plazierten Molekül mit seiner unmittelbaren Umgebung kann Information über die Probe mit hoher Auflösung auf das Fluoreszenzspektrum des Moleküls übertragen werden. Kürzlich ist an der Universität Konstanz der erste Schritt zur Realisierung dieses Traums gelungen: Ein einzelnes Farbstoffmolekül in einem Kristall an der Spitze einer Lichtfaser wurde zunächst durch ein hochauflösendes Spektroskopieverfahren identifiziert und dann sehr präzise vor der Oberfläche einer Testprobe in Stellung gebracht. Diese neue Lichtsonde, die lediglich aus einem einzigen Molekül besteht, ist nur ein Beispiel für den Strom von Ideen und Ergebnissen innerhalb des neuen Gebietes der Nano-Optik. Es zu erwarten, dass sich im kommenden Jahrzehnt die Kontrolle über nanoskopische optische Phänomene rasch entwickeln wird.