Die optische Mikroskopie (auf Photonen basierend) gehört zu den zentralen Methoden, die winzigen Strukturen der materiellen Welt sichtbar zu machen. Sie ist jedoch an eine grundlegende physikalische Grenze gebunden: Aufgrund der Wellennatur des Lichts lassen sich Details nur bis zu einer bestimmten Größe auflösen, man spricht von der „Beugungsgrenze“.
Sie 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.
Die Elektronenmikroskopie liefert zwar eine höhere Auflösung, doch eignet sie sich vor allem für die Erkundung von Strukturen, während elektronische Eigenschaften, lokale Felder oder dynamische Prozesse dafür nicht gut zugänglich sind. 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 zu tunneln beginnt
Ein Forscherteam der Universitäten Regensburg und Birmingham hat nun eine Methode entwickelt, mit der optische Mikroskopie erstmals atomare Auflösung erreicht und damit die Grenze der klassischen Optik überwunden. In einem quantenoptischen Mikroskop führten sie eine extrem feine metallische Spitze bis auf Abstände unterhalb eines Atomdurchmessers an eine Probe heran. In den winzigen Spalt koppelten sie infrarotes Licht ein, wodurch ein stark lokalisiertes elektrisches Wechselfeld entsteht. Dieses schwingende Feld regte Elektronen in Spitze und Probe an, quantenmechanisch periodisch zu tunneln und dabei Informationen zu emittieren.
Die Forschung spricht von „Nahfeld-optischer Tunnelemission“ (englisch: „Near-Field Optical Tunneling Emission“ = NOTE). Die räumliche Auflösung des detektierten Signals hängt nur von der Ausdehnung der Elektronenbewegung selbst ab. Damit verschiebt sich das Auflösungslimit in den atomaren Bereich von bis zu 0,1 Nanometer und übertrifft damit die Auflösung optischer Mikroskopie um den Faktor 100 000. Ein einzelnes Atom kann so einen messbaren Beitrag zum Signal liefern.
Langfristig könnte dies erhebliche Auswirkungen auf verschiedene Forschungsfelder wie Materialwissenschaft, Nanotechnologie, Messtechnik und auch die Grundlagenwissenschaft haben. Die Arbeit erweitert das Verständnis davon, wie Licht, Materie und Quantenmechanik auf kleinsten Skalen zusammenwirken.
