Vorstoß in neue Dimension

Eigentlich ist es erstaunlich, dass das Elektronenmikroskop, das irgendwie auch heute noch technischen Fortschritt und menschliche Kreativität auf idealtypische Weise symbolisiert, bereits in den dreißiger Jahren entwickelt wurde. Aber in die Jahre gekommen ist das filigrane Gerät, das in der Vergangenheit zahlreichen Wissenschaftlern weltweit einen beeindruckenden Einblick in eine völlig unbekannte bizarre Welt eröffnete, noch lange nicht. Seitdem die deutschen Physiker Ernst Ruska und Max Knoll 1931 das erste Elektronenmikroskop mit magnetischen Linsen erfanden und bauten (nur Ruska erhielt dafür 1986 den Physik-Nobelpreis), wurde es ständig weiterentwickelt. Heute setzen Physiker, Chemiker, Techniker, Mediziner und Biologen rund um den Globus das vielseitige Instrument vornehmlich zur Strukturforschung ein. Das Prinzip, auf dem das Elektronenmikroskop basiert, ist ebenso einfach wie genial: Im wesentlichen ist das räumliche Auflösungsvermögen eines Mikroskops durch die Wellenlänge der verwendeten Strahlung beschränkt. Anstelle von Licht, also elektromagnetischen Wellen, vergrößert das Elektronenmikroskop dagegen mit Teilchenstrahlung die Probenstrukturen und verbessert damit zugleich auch das Auflösungsvermögen. Daher eignen sich Elektronenmikroskope insbesondere für die Beobachtung im Nanometer-Bereich. Da die neuere Generation der Elektronenmikroskope sogar bis in den atomaren Bereich vordringt, ist sie deshalb als Untersuchungsmethode aus der Physik oder Biologie kaum noch wegzudenken. Und scheinbar hat der Siegeszug dieses technischen Wunderwerks längst noch nicht sein Ende gefunden.

sich kreuzende DNS-Stränge, aufgenommen von einem Rasterelektronenmikroskop

Jüngst haben amerikanische Forscher vom Brookhaven National Laboratory auf Long Island in New York eine Technik entwickelt, mit der sie unter Ausnutzung der Wellennatur von Elektronen Materialdefekte im Picometermaßstab sichtbar machen können. Damit erreichen die Wissenschaftler einen neuen Rekord in Sachen Auflösungsvermögen und Genauigkeit. Denn ein Picometer ist gerade mal der millionste Teil eines millionstel Meters.

Der Projektleiter und Physiker Yimei Zhu hat die neue Methode, die einen Einblick in die Welt der bizarren submikroskopischen Strukturen des Picokosmos gibt, zusammen mit seinem Team auf den Namen 'interferometry in coherent electron diffraction' getauft. Kernstück des neuen Geräts ist ein Transmissions-Elektronenmikroskop, das im so genannten Durchstrahlungsmodus arbeitet. Das eigentlich Neue an diesem Instrument ist die geschickte Ausnutzung der Welleneigenschaft von Elektronen. Kohärente Elektronen treffen auf verschiedene Stellen der Probe und verursachen so ein charakteristisches Interferenzmuster, welches je nach Störung unterschiedlich aussieht, wenn auch die Unterschiede nur minimaler Natur sind. Vergleichbar ist das mit einem Stein, der in einen See geworfen wird. An dem Punkt, an dem der Stein eintaucht, breiten sich konzentrische Wellen aus. Vermischen sich die Wellenfronten, so bildet sich aus der Überlagerung ein neues Muster - das Interferenzmuster. Oder man stelle sich einige Enten vor, die auf besagter See schwimmen. Das durch ihr Paddeln verursachte Wellenmuster zeigt deutlich Abweichungen von der unberührten Seefläche. Den Enten in dieser Analogie entspräche in der Praxis der Defekt im Material, den das Elektronenmikroskop aufzuspüren vermag. Um bei diesem Beispiel zu bleiben: In unserem Fall stehen die Steine stellvertretend für die Elektronen; das Muster der Seeoberfläche hingegen entspricht dem Interferenzmuster der Probe. Dieses kann wiederum von einem Detektor erfasst werden und gibt den Wissenschaftlern Aufschluss über die vorhandenen Defekte im Material.

	Defekte sind winzig kleine Abweichungen von der regulären Position der Atome in Materie und häufig verantwortlich für die Eigenschaften des Stoffes,

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erklärt Yimei Zhu. "Zum Beispiel erlaubt in Supraleitern ein bestimmter Fehler einen höheren Stromtransport ohne elektrischen Widerstand. Oder manche Defekte verbessern elektronische, magnetische und optische Eigenschaften von Halbleitern, wie sie in Computern oder digitalen Geräten verwendet werden. Die neue Technik gestattet Forschern die Bestimmung von Defekten mit beispielloser Präzision. Für die Entwicklung neuer moderner Materialien ist das sehr wichtig."

Long Island, Bild von Brookhaven

Das Transmissions-Elektronenmikroskop wurde von JEOL in Tokio nach Vorgaben der Wissenschaftler in Brookhaven gefertigt. Mit ihm ist es möglich, eine Probe bis zu 50 Millionen Mal zu vergrößern - damit hat ein Atom ungefähr die Größe eines Tischtennisballs. Das Mikroskop ist für den Einsatz in der Festkörperphysik, der Chemie, der Biologie und den Materialwissenschaften gleichmaßen gut geeignet.

Was Ernst Ruska, dessen Anteil an der Erfindung des Elektronenmikroskops übrigens nicht unumstritten ist, einst in weiser Voraussicht als rhetorische Frage in den Raum warf, hat nun einen realen Hintergrund: "Das Lichtmikroskop öffnete das erste Tor zum Mikrokosmos. Das Elektronenmikroskop öffnete das zweite Tor zum Mikrokosmos. Was werden wir finden, wenn wir das dritte Tor öffnen?"