Optischer Trick

Das für Lichtmikroskope gültige Beugungslimit der Wellenoptik lässt sich dank Stoffen mit negativem Brechungsindex umgehen

Das Beugungslimit der Wellenoptik begrenzt das Auflösungsvermögen optischer Mikroskope auf die Größenordnung der Lichtwellenlänge. Sollen deutlich kleinere Details abgebildet werden, dann hilft ein Trick weiter: Mit einer dünnen Silberschicht lässt sich der Strahlengang umleiten, so gelingt es mit UV-Licht einer Wellenlänge von 365 Nanometern, unter 60 Nanometer große Strukturen abzubilden. Eine potentielle technische Anwendung wäre die Lithografie, möglicherweise in Nischen eine Alternative zur sich gerade entwickelnden Extrem-UV-Lithografie.

Diese Abbildungsoptik mit einer Silberschicht auf Plexiglas (Polymethylmethacrylat, PMMA) projiziert einen Schriftzug auf Photolack (photoresist PR), welcher sich mittels Rasterkraftmikroskop abtasten lässt. Als UV-Lichtquelle dient eine Quecksilberdampflampe. (Bild: Xiang Zhang, Uni Berkeley)

Wissenschaftler der Univerität von Berkeley haben ein Mikroskop gebaut, das Strukturen einer Größe einer sechstel Lichtwellenlänge abbildet und so das Beugungslimit der Wellenoptik umgangen. Sie berichteten ihre experimentellen Ergebnisse in der Ausgabe vom 22. April 2005 der Zeitschrift Science auf Seite 534 in Band 308; der Artikel steht zusätzlich im Web zum Herunterladen bereit.

Die Forscher nahmen die Bilder nicht direkt mit einem Lichtsensor auf, sie ließen das Licht auf Photolack einstrahlen, der auch in der Halbleiterindustrie üblich ist, und tasteten ihn mit einem Rasterkraftmikroskop mit atomarer Auflösung ab. Eine Aufnahme dauert rund eine Minute.

Der Schriftzug "NANO" (oben) ist die Vorlage. Nicht ein Lichtsensor nimmt die Bilder auf, sondern ein Photolack, der sich wiederum mittels Rasterkraftmikroskop abtasten lässt. Ohne Silberschicht verschmiert das Abbild des Schriftzugs (unten), mit Silberschicht wird es schärfer (Mitte). Der eingeblendete weiße Maßstab ist 2 Mikrometer lang. (Bild: Xiang Zhang, Uni Berkeley)

Das Entscheidende an dem Mikroskop ist eine 35 Nanometer dicke Silberschicht zwischen Plexiglas und Photolack, die die Lichtstrahlen auf eine ungewöhnliche Art bricht, dieser Aufbau weist für eine Lichtwellenlänge von 365 Nanometern einen negativen Brechungsindex auf.

Ein negativer Brechungsindex stellt die Optik auf den Kopf, so wird ein Lichtstrahl nicht zum Einfallslot hin oder weg gebrochen, sondern reflektiert. Dieser Sachverhalt lässt sich für Abbildungsoptiken nutzen, zudem gilt das Beugungslimit der Wellenoptik nicht. Eine ebene Platte mit negativem Brechungsindex vermag einen Gegenstand abzubilden – mit weitaus filigraneren Details als normale, gekrümmte optische Linsen. Die Erforschung von Stoffen mit negativem Brechungsindex steckt noch in den Kinderschuhen, erst vor vier Jahren hatten Forscher erste Ergebnisse mit Mikrowellen berichtet.

Ein Knick in der Optik: Dringt ein Lichtstrahl von einem optisch dünneren in ein dichteres Medium, so wird er an der Grenzfläche zum Einfallslot hin gebrochen (oberer Pfeil) und umgekehrt. Nicht so bei Stoffen mit negativem Brechungsindex (unterer Pfeil), hier wird der Lichtstrahl nicht nur gebrochen, sondern auch reflektiert. Dieser ungewöhnliche Strahlengang lässt sich für Abbildungsoptiken nutzen. (Bild: Wikipedia)

(Thomas Liebsch)

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