För att få ännu djupare insikter i de minsta världarna, trösklarna för mikroskopi måste utökas ytterligare. Forskare vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och TU Dresden, i samarbete med Freie Universität Berlin, har lyckats kombinera två etablerade mättekniker för första gången:optisk mikroskopi nära fältet och ultrasnabb spektroskopi. Datorassisterad teknik utvecklad speciellt för detta ändamål kombinerar fördelarna med båda metoderna och undertrycker oönskat buller. Detta möjliggör mycket exakt filmning av dynamiska processer i nanometerskala. Resultaten publicerades nyligen i forskningstidskriften Vetenskapliga rapporter .

Många viktiga men komplexa processer inom naturvetenskap och biovetenskap, till exempel, fotosyntes eller supraledning vid hög temperatur, har ännu inte förståtts. Å ena sidan, detta beror på det faktum att sådana processer sker på en skala av en miljonedel av en millimeter (nanometer) och därför inte kan observeras med konventionell optisk mikroskopisk avbildning. Å andra sidan, forskare måste kunna observera mycket snabba förändringar i enskilda steg för att bättre förstå den mycket komplexa dynamiken. Utvecklingen av högupplöst tids- och rumslig teknik har därför främjats i decennier.

Den nya kameran från Dresden kombinerar fördelarna med två världar:mikroskopi och ultrasnabb spektroskopi. Det möjliggör oförändrade optiska mätningar av extremt små, dynamiska förändringar i biologiska, kemiska eller fysiska processer. Instrumentet är kompakt i storlek och kan användas för spektroskopiska studier i ett stort område av det elektromagnetiska spektrumet. Tidsintervaller från några kvadriljondelar av en sekund (femtosekunder) upp till det andra intervallet kan väljas för enskilda bilder. "Detta gör vårt nanoskop lämpligt för visning av ultrasnabba fysiska processer såväl som för biologisk process, som ofta är väldigt långsamma, "säger HZDR:s doktor Michael Gensch.

Att kombinera två metoder garanterar hög rumslig och tidsmässig upplösning

Nanoskopet är baserat på den vidare utvecklingen av närfältsmikroskopi, i vilket laserljus bestrålas på en ultratunn metallpunkt. Detta skapar mycket buntat ljus - hundra gånger mindre än ljusets våglängd, som annars representerar gränsen för "normal" optik med linser och speglar. "I princip, vi kan använda hela våglängdsspektrumet för närfältmikroskopi, från ultraviolett till terahertz -området, "säger Dr Susanne Kehr från TU Dresden." Det fokuserade ljuset levererar energi till provet, skapa en speciell interaktion mellan punkten och provet i det som kallas närfältet. Genom att observera den bakspridna delen av laserljuset, man kan uppnå en rumslig upplösning i storleksordningen storfältstorlek, det är, i nanometerområdet. "Denna teknik, känd som SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscopy), används vanligtvis endast för avbildning av statiska förhållanden.

Att använda ultrasnabb spektroskopi är det avgörande verktyget, å andra sidan, gör det möjligt för forskare att studera dynamiska processer på korta tidsskalor och med extrem känslighet. Den rumsliga upplösningen har, tills nu, begränsat till mikrometerområdet. Principen i sådana pumpsondförsök som fungerar, till exempel, med ljus, tryck eller elektriska fältpulser är följande:medan en första puls exciterar det prov som undersöks, en andra puls övervakar förändringen i provet. Om tiden mellan dem varierar, ögonblicksbilder kan tas vid olika tidpunkter, och en film kan monteras. En smart korrigering av mätfelen leder till den höga känsligheten hos det spektroskopiska förfarandet. Aktivering med excitationspuls betyder en typ av störning för hela provsystemet, som måste filtreras bort så att brus eller "bakgrunden" elimineras. Detta uppnås genom att sondera det ostörda provet med en andra referenspuls direkt före excitationen. Denna speciella teknik kunde inte kombineras med nära fält optisk mikroskopi förrän nu. För första gången, lagen som leds av de två Dresden -fysikerna har lyckats kombinera alla fördelar med båda metoderna i sitt nanoskop.

"Vi har utvecklat programvara med en speciell demoduleringsteknik som-utöver den enastående upplösningen för optisk mikroskopi i närheten av fältet som är minst tre storleksordningar bättre än upplösningen för vanlig ultrasnabb spektroskopi-nu också kan mäta dynamisk förändringar i provet med hög känslighet, "förklarar Kehr. Den smarta elektroniska metoden gör att nanoskopet endast kan registrera de förändringar som faktiskt sker i provets egenskaper på grund av excitationen. Även om andra forskargrupper nyligen har rapporterat god tidsupplösning med sina nanoskop, de kunde inte, dock, få detta viktiga korrigeringsläge. En ytterligare fördel med Dresden-lösningen är att den enkelt kan integreras i befintliga närfältsmikroskop.

Universell i alla avseenden

"Med vårt nanoskops betydande våglängdstäckning, dynamiska processer kan studeras med de bäst lämpade våglängderna för den specifika processen som studeras. Detta är ett viktigt steg för att förstå dessa processer. Våra kollegor vid Freie Universität Berlin har, till exempel, den ambitiösa drömmen om att spåra strukturförändringar under fotocykeln av ett individuellt membranprotein vid specifika våglängder i det infraröda spektrumet, "Säger Gensch. Tillsammans med sin TU -kollega, Susanne Kehr, han demonstrerade den nya metoden på ett känt provsystem, ett halvledande lager av kisel och germanium. "Hade vi använt ett okänt prov för demonstrationen, vi skulle inte ha kunnat tolka funktionen i vårt tillvägagångssätt korrekt, "Kehr betonar.

Dresden -nanoskopet är universellt anpassningsbart för respektive vetenskapliga frågor. Sondpulsvåglängderna kan, i princip, nå från det låga terahertz -området till det ultravioletta området. Provet kan stimuleras med laser, tryck, elektriska fält eller magnetfältpulser. Principen testades vid HZDR på en typisk laboratorielaser samt på frielektronlasern FELBE. Första testerna på den nya terahertz -källan TELBE, som ger extremt korta elektriska och magnetiska fältpulser för excitation, är under förberedelse. "I framtiden, vi kommer inte bara att se hur snabbt en process sker, men vi kan också bättre lokalisera var exakt det sker i urvalet. Detta är särskilt viktigt för vår TELBE -anläggning, som kommer att vara i drift nästa år, "förklarar Michael Gensch, chef för TELBE -projektet vid HZDR.