Seit einigen Jahren begeistern sich Physiker für so genannte Meta-Materialien. Materialien, die das Licht ganz anders brechen als man es in der Schule lernt. Wenn ein Strohhalm in einem Glas Wasser abgeknickt erscheint, so hängt dies damit zusammen, dass die Lichtstrahlen, die von dem Strohhalm kommen, auf ihrem Weg durch das Wasser abgelenkt werden. Bei Meta-Materialien geschieht dies auch, aber auf ungewöhnliche Weise: der Strohhalm knickt in einer anderen Richtung ab. Theoretisch vorhergesagt wurde der Effekt bereits in den 60er Jahren. Aber erst Anfang des 21. Jahrhunderts gelang es den ersten Forschern, solche Meta-Materialien tatsächlich herzustellen. Andrew Houck vom MIT Media Lab war einer von ihnen:
"Der ungewöhnliche Richtungswechsel des Lichts kann sehr nützlich sein, etwa für neue Linsen-Effekte. Statt einer runden, geschliffenen Linse kann man ein neuartiges, flaches Material nehmen. Darin kann dann ein Lichtstrahl, der auseinander läuft, wieder gebündelt werden - weil das Licht falsch herum abgelenkt wird."
Die erste echte Anwendung hat nun der ukrainische Physiker Gennady Shvets von der Universität von Texas in Austin möglich gemacht, in Kooperation mit deutschen Physikern. Shvets hat ein nanostrukturiertes Material aus Silizium-Karbid entwickelt - eine so genannte Superlinse, die in einem Mikroskop zum Einsatz kommt.
"In der Tat ist die Mikroskopie die erste nahe liegende Anwendung. Wir haben gezeigt, dass die Superlinse wirklich so funktioniert, wie wir das erwarten. Wir haben sie in ein Mikroskop eingebaut, und wir können damit sehr kleine Strukturen sehen. Strukturen, die zwanzigmal kleiner sind als die Wellenlänge, mit der wir beobachten. Also ziemlich klein."
Zwanzig mal kleiner als die Wellenlänge des Lichtes – für Mikroskopie-Experten ist das ein Quantensprung. Ein Sprung über die so genannte Auflösungsgrenze der klassischen Lichtmikroskopie. Mit klassischen Lichtmikroskopen, wie sie im 19. Jahrhundert von Ernst Abbe und Karl Zeiss perfektioniert wurden, lassen sich lediglich Objekte sichtbar machen, die etwa halb so groß sind wie die Wellenlänge des Lichtes. Zum Beispiel: Mit grünem Licht von 500 Nanometern lassen sich – mit einem optimalen Mikroskop - Objekte gerade noch erkennen, die 250 Nanometer groß sind. Mit einer Superlinse lassen sich Objekte abbilden, die noch zehnmal kleiner sind. Dieser Sprung über die Auflösungsgrenze ist nicht ganz neu: Bereits in den 70er Jahren gelang es Physikern, das Licht in einem Mikroskops über Glasfaserspitzen sehr nahe an die Objekte heranzubringen, die sie untersuchen wollten. Nahfeldmikroskopie heißt dieses Verfahren, das Shvets und Kollegen jetzt mit Hilfe der Superlinse verbessern wollen.
"Sie müssen sich vorstellen, dass es nicht leicht ist, mit einer Glasfaserspitze nah genug an die Oberflächen heranzukommen. Wenn eine Oberfläche rau ist, dann stoßen sie mit der Spitze schnell an. Schwierig wird es auch, wenn sie sich eigentlich für Objekte interessieren, die knapp unter der Oberfläche liegen, zum Beispiel winzige Metallkontakte, die von einer Oxidschicht bedeckt sind. Diese Objekte können sie nicht erkennen."
Mit der flachen Superlinse lassen sich diese Probleme aus der Welt schaffen: Legt man sie auf das Untersuchungsobjekt, so kann die Glasfaserspitze über sie hinweg wandern, ohne anzustoßen – gleichzeitig ermöglicht die Superlinse den Blick in die Tiefe: Sie kann Objekte in den Fokus rücken, die weiter unten liegen. Maßgeblichen Anteil an dieser Neuentwicklung haben Thomas Taubner und Rainer Hillenbrand vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried. Ihnen ist es gelungen, Shvets Superlinse in ein Nahfeldmikroskop zu integrieren. Zunächst haben sie mit infrarotem Licht Aufnahmen von winzigen Löchern in einem Goldfilm gemacht. In Zukunft wollen sie die Methode zu einem Standard-Werkzeug für die Nanotechnologie weiterentwickeln. Die Kombination von Nahfeldmikroskop und Superlinse macht es möglich, winzige Halbleiterbauelemente in der Tiefe zu analysieren. Und auch die Membranen von lebenden Zellen in wässrigem Medium wollen die Physiker in Zukunft genauer unter die Superlupe nehmen.
"Der ungewöhnliche Richtungswechsel des Lichts kann sehr nützlich sein, etwa für neue Linsen-Effekte. Statt einer runden, geschliffenen Linse kann man ein neuartiges, flaches Material nehmen. Darin kann dann ein Lichtstrahl, der auseinander läuft, wieder gebündelt werden - weil das Licht falsch herum abgelenkt wird."
Die erste echte Anwendung hat nun der ukrainische Physiker Gennady Shvets von der Universität von Texas in Austin möglich gemacht, in Kooperation mit deutschen Physikern. Shvets hat ein nanostrukturiertes Material aus Silizium-Karbid entwickelt - eine so genannte Superlinse, die in einem Mikroskop zum Einsatz kommt.
"In der Tat ist die Mikroskopie die erste nahe liegende Anwendung. Wir haben gezeigt, dass die Superlinse wirklich so funktioniert, wie wir das erwarten. Wir haben sie in ein Mikroskop eingebaut, und wir können damit sehr kleine Strukturen sehen. Strukturen, die zwanzigmal kleiner sind als die Wellenlänge, mit der wir beobachten. Also ziemlich klein."
Zwanzig mal kleiner als die Wellenlänge des Lichtes – für Mikroskopie-Experten ist das ein Quantensprung. Ein Sprung über die so genannte Auflösungsgrenze der klassischen Lichtmikroskopie. Mit klassischen Lichtmikroskopen, wie sie im 19. Jahrhundert von Ernst Abbe und Karl Zeiss perfektioniert wurden, lassen sich lediglich Objekte sichtbar machen, die etwa halb so groß sind wie die Wellenlänge des Lichtes. Zum Beispiel: Mit grünem Licht von 500 Nanometern lassen sich – mit einem optimalen Mikroskop - Objekte gerade noch erkennen, die 250 Nanometer groß sind. Mit einer Superlinse lassen sich Objekte abbilden, die noch zehnmal kleiner sind. Dieser Sprung über die Auflösungsgrenze ist nicht ganz neu: Bereits in den 70er Jahren gelang es Physikern, das Licht in einem Mikroskops über Glasfaserspitzen sehr nahe an die Objekte heranzubringen, die sie untersuchen wollten. Nahfeldmikroskopie heißt dieses Verfahren, das Shvets und Kollegen jetzt mit Hilfe der Superlinse verbessern wollen.
"Sie müssen sich vorstellen, dass es nicht leicht ist, mit einer Glasfaserspitze nah genug an die Oberflächen heranzukommen. Wenn eine Oberfläche rau ist, dann stoßen sie mit der Spitze schnell an. Schwierig wird es auch, wenn sie sich eigentlich für Objekte interessieren, die knapp unter der Oberfläche liegen, zum Beispiel winzige Metallkontakte, die von einer Oxidschicht bedeckt sind. Diese Objekte können sie nicht erkennen."
Mit der flachen Superlinse lassen sich diese Probleme aus der Welt schaffen: Legt man sie auf das Untersuchungsobjekt, so kann die Glasfaserspitze über sie hinweg wandern, ohne anzustoßen – gleichzeitig ermöglicht die Superlinse den Blick in die Tiefe: Sie kann Objekte in den Fokus rücken, die weiter unten liegen. Maßgeblichen Anteil an dieser Neuentwicklung haben Thomas Taubner und Rainer Hillenbrand vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried. Ihnen ist es gelungen, Shvets Superlinse in ein Nahfeldmikroskop zu integrieren. Zunächst haben sie mit infrarotem Licht Aufnahmen von winzigen Löchern in einem Goldfilm gemacht. In Zukunft wollen sie die Methode zu einem Standard-Werkzeug für die Nanotechnologie weiterentwickeln. Die Kombination von Nahfeldmikroskop und Superlinse macht es möglich, winzige Halbleiterbauelemente in der Tiefe zu analysieren. Und auch die Membranen von lebenden Zellen in wässrigem Medium wollen die Physiker in Zukunft genauer unter die Superlupe nehmen.