Om nog dieper inzicht te krijgen in de kleinste werelden, de drempels van microscopie moeten verder worden uitgebreid. Wetenschappers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en de TU Dresden, in samenwerking met de Freie Universität Berlin, zijn er voor het eerst in geslaagd om twee gevestigde meettechnieken te combineren:near-field optische microscopie en ultrasnelle spectroscopie. Speciaal voor dit doel ontwikkelde computerondersteunde technologie combineert de voordelen van beide methoden en onderdrukt ongewenste ruis. Dit maakt zeer nauwkeurige verfilming van dynamische processen op nanometerschaal mogelijk. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het onderzoekstijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Veel belangrijke maar complexe processen in de natuur- en levenswetenschappen, bijvoorbeeld, fotosynthese of supergeleiding bij hoge temperatuur, moeten nog begrepen worden. Aan de ene kant, dit is te wijten aan het feit dat dergelijke processen plaatsvinden op een schaal van een miljoenste millimeter (nanometer) en daarom niet kunnen worden waargenomen door conventionele optische microscopische beeldvorming. Anderzijds, onderzoekers moeten zeer snelle veranderingen in afzonderlijke stadia nauwkeurig kunnen waarnemen om de zeer complexe dynamiek beter te begrijpen. De ontwikkeling van temporele en ruimtelijke technologieën met hoge resolutie wordt daarom al decennialang gestimuleerd.

De nieuwe camera uit Dresden combineert de voordelen van twee werelden:microscopie en ultrasnelle spectroscopie. Het maakt ongewijzigde optische metingen mogelijk van extreem kleine, dynamische veranderingen in biologische, chemische of fysische processen. Het instrument is compact van formaat en kan worden gebruikt voor spectroscopische studies in een groot gebied van het elektromagnetische spectrum. Voor afzonderlijke afbeeldingen kunnen tijdstappen van enkele biljardsten (femtoseconden) tot het tweede bereik worden geselecteerd. "Dit maakt onze nanoscoop geschikt voor het bekijken van ultrasnelle fysieke processen en voor biologische processen, die vaak erg traag zijn, " zegt Dr. Michael Gensch van de HZDR.

Het combineren van twee methoden garandeert een hoge ruimtelijke en temporele resolutie

De nanoscoop is gebaseerd op de verdere ontwikkeling van near-field microscopie, waarbij laserlicht wordt gestraald op een ultradun metalen punt. Dit creëert sterk gebundeld licht - honderd keer kleiner dan de golflengte van licht, die anders de limiet van "normale" optica met lenzen en spiegels vertegenwoordigt. "In principe, we kunnen het hele golflengtespectrum van nabije-veldmicroscopie gebruiken, van ultraviolet tot het terahertz-bereik, " zegt Dr. Susanne Kehr van de TU Dresden. "Het gerichte licht levert energie aan het monster, het creëren van een speciale interactie tussen het punt en het monster in wat bekend staat als het nabije veld. Door het terugverstrooide deel van het laserlicht te observeren, kan men een ruimtelijke resolutie bereiken in de orde van grootte van het nabije veld, dat is, in het nanometerbereik." Deze technologie, bekend als SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscopy), wordt meestal alleen gebruikt voor het afbeelden van statische omstandigheden.

Het gebruik van ultrasnelle spectroscopie is het cruciale hulpmiddel, anderzijds, waardoor wetenschappers dynamische processen op korte tijdschalen en met extreme gevoeligheid kunnen bestuderen. De ruimtelijke resolutie heeft, tot nu, echter beperkt tot het micrometerbereik. Het principe in zulke pomp-sonde experimenten die functioneren, bijvoorbeeld, met licht, druk- of elektrische veldpulsen is als volgt:terwijl een eerste puls het bestudeerde monster prikkelt, een tweede puls bewaakt de verandering in het monster. Als de tijd ertussen varieert, snapshots kunnen op verschillende tijdstippen worden gemaakt, en een film kan worden samengesteld. Een slimme correctie van de meetfouten leidt tot de hoge gevoeligheid van de spectroscopische procedure. Activering door een excitatiepuls betekent een soort storing voor het gehele monstersysteem, die moet worden uitgefilterd zodat ruis of de "achtergrond" wordt geëlimineerd. Dit wordt bereikt door het onverstoorde monster te sonderen met een tweede referentiepuls direct voor de excitatie. Deze specifieke technologie kon tot nu toe niet worden gecombineerd met optische microscopie in het nabije veld. Voor de eerste keer, de teams onder leiding van de twee natuurkundigen uit Dresden zijn erin geslaagd om alle voordelen van beide methoden in hun nanoscoop te combineren.

"We hebben software ontwikkeld met een speciale demodulatietechnologie waarmee we - naast de uitstekende resolutie van optische microscopie in het nabije veld die minstens drie ordes van grootte beter is dan de resolutie van gewone ultrasnelle spectroscopie - nu ook dynamische veranderingen in het monster met hoge gevoeligheid, ", legt Kehr uit. De slimme elektronische methode stelt de nanoscoop in staat om uitsluitend de veranderingen vast te leggen die daadwerkelijk optreden in de eigenschappen van het monster als gevolg van de excitatie. Hoewel andere onderzoeksgroepen pas onlangs een goede temporele resolutie met hun nanoscopen hebben gemeld, ze konden niet, echter, verkrijg deze belangrijke correctiemodus. Een bijkomend voordeel van de Dresden-oplossing is dat deze eenvoudig kan worden geïntegreerd in bestaande near-field microscopen.

Universeel in elk opzicht

"Met de aanzienlijke golflengtedekking van onze nanoscoop, dynamische processen kunnen worden bestudeerd met de meest geschikte golflengten voor het specifieke proces dat wordt bestudeerd. Dit is een belangrijke stap om deze processen te begrijpen. Onze collega's van de Freie Universität Berlin hebben, bijvoorbeeld, de ambitieuze droom om structurele veranderingen te volgen tijdens de fotocyclus van een individueel membraaneiwit bij specifieke golflengten in het infraroodspectrum, zegt Gensch. Samen met zijn TU-collega Susanne Kehr, hij demonstreerde de nieuwe methode op een bekend monstersysteem, een halfgeleidende laag van silicium en germanium. "Als we een onbekend monster hadden gebruikt voor de demonstratie, we zouden niet in de positie zijn geweest om de functionaliteit van onze aanpak correct te interpreteren, ’ benadrukt Kehr.

De Dresden-nanoscoop is universeel aanpasbaar aan respectieve wetenschappelijke vragen. De golflengten van de sondepuls kunnen, in principe, bereik van het lage terahertz-bereik tot het ultraviolette bereik. Het monster kan worden gestimuleerd met laser, druk, elektrisch veld of magnetische veldpulsen. Het principe werd bij de HZDR getest op een typische laboratoriumlaser en op de vrije-elektronenlaser FELBE. Eerste tests op de nieuwe terahertz-bron TELBE, die zorgt voor extreem korte elektrische en magnetische veldpulsen voor excitatie, zijn in voorbereiding. "In de toekomst, we zullen niet alleen zien hoe snel een proces verloopt, maar we kunnen ook beter lokaliseren waar het zich precies afspeelt in het monster. Dit is vooral belangrijk voor onze TELBE-faciliteit, die volgend jaar operationeel zal zijn, " legt Michael Gensch uit, hoofd van het TELBE-project bij de HZDR.