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FORSCHUNG AKTUELL


14.03.2008 · 16:35 Uhr

Bei jedem Mikroskop ist die Wellenlänge der Strahlung die Untergrenze der Auflösung. (Bild: AP Archiv) Bei jedem Mikroskop ist die Wellenlänge der Strahlung die Untergrenze der Auflösung. (Bild: AP Archiv)

Scharfes Stück

Neuartige Mikrowellenlinse sorgt für bislang unerreichten Durchblick

Von Ralf Krauter

Physik. - Ein Physiker der Universität von London hat eine neuartige Linse entwickelt, die Details abbildet, die kleiner als die Wellenlänge der verwendeten Mikrowellenstrahlung sind. Bislang war die Wellenlänge für alle optischen Untersuchungsmethoden die Untergrenze der Auflösung gewesen. Auf der Jahrestagung der US-Physiker in New Orleans stellte der Forscher seine Entwicklung vor.

Mit einer optischen Linse, wie man sie aus dem Brillenladen kennt, hat sie wenig gemein. Die neuartige Mikrowellenlinse, die jetzt in New Orleans erstmals präsentiert wurde, ist eine einen Meter lange Anordnung aus Dutzenden paralleler Aluminiumstäbe. Allzu spektakulär sieht sie nicht aus, aber die Ergebnisse sprechen für sich. Die periodisch angeordneten Metallstäbe umschiffen nämlich den größten Feind jeder detailreichen optischen Abbildung. Das so genannte Beugungslimit, erklärt der Physiker Pavel Belov von der Queen Mary University in London.

"Das Beugungslimit besagt, dass man prinzipiell keine Details erkennen kann, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichtes, mit dem man die Probe bestrahlt. Unsere Mikrowellenlinse schafft es aber doch. Wir können Details auflösen, die viel feiner als die Wellenlänge sind."

Pavel Belov ist Experte für Metamaterialien. Das sind Designer-Werkstoffe aus dem Labor deren optische Eigenschaften sich genau einstellen lassen. Um zu demonstrieren, was seine neuartige Linse drauf hat, hat er mit ihrer Hilfe ein Mikrowellenfoto jenes gut handtellergroßen Kronensymbols geschossen, das das Markenzeichen der University of London ist. Das Foto wirkt einen Tick unscharf, zeigt aber alle wesentlichen Details. Bemerkenswert ist das deshalb, weil die Mikrowellen, mit denen Belov die Krone bestrahlt hat, eine Wellenlänge von 35 Zentimetern haben. Deutlich größer als das abzubildende Objekt also, weshalb hier mit konventioneller Mikrowellenoptik aufgrund des Beugungslimits rein gar nichts zu erkennen gewesen wäre. Belov:

"Wenn Sie einen Gegenstand unter dem Mikroskop betrachten, sehen Sie nur das Fernfeld. Also jene Lichtwellen, die die Oberfläche des Objektes verlassen und sich dann durch Linsen in Richtung ihres Auges fortpflanzen. Ein anderer Teil der optischen Information - das so genannte Nahfeld - kann die Oberfläche aber nicht verlassen. Es konzentriert sich in ihrer unmittelbaren Nähe und enthält weitere Details, die eine schärfere Abbildung ermöglichen. Um an diese zusätzliche Information heranzukommen, benutzen heutige Nahfeldmikroskope aufwändige Scanner, um die Probenoberfläche Punkt für Punkt abzutasten. Unsere Linse ermöglicht nun einen ganz anderen Ansatz: Wir können das optische Nahfeld auffangen und in einiger Entfernung detailgetreu abbilden."

Die periodisch angeordneten Metalldrähte der Mikrowellenlinse wirken wie die Poren eines Schwammes. Sie saugen die Lichtwellen des Nahfeldes auf, leiten sie auf die andere Seite der Linse und ermöglichen so Abbildungen mit ungewohnter Schärfe. In seinen Experimenten hat der Londoner Physiker eine Auflösung von einem Zwanzigstel der Wellenlänge demonstriert. Ein neuer Rekord, aber das sei nur der Anfang, sagt Pavel Belov.

"Das Auflösungsvermögen wird allein von der Größe der periodischen Strukturen bestimmt, die wir verwenden. Es gibt also keine fundamentale Grenze, sondern nur eine technologische. Wenn sie ein extrem detailreiches Bild wollen, müssen sie einfach nur sehr feine Metalldrähte sehr kompakt periodisch anordnen."

Für Mikrowellen ließen sich so problemlos Auflösungen von deutlich unter einem Tausendstel der Wellenlänge erzielen, sagt Pavel Belov. Bei der deutlich kurzwelligeren Terahertz- oder Infrarot-Strahlung müssten die Drahtbündel dann allerdings so klein sein, dass andere physikalische Effekte die Auflösung auf rund 40 Nanometer begrenzen würden. Doch selbst das wäre ein Fortschritt gegenüber den Möglichkeiten der klassischen Optik. Wenn sich die Erwartungen bestätigen, könnte das Beugungslimit vielleicht schon bald für immer seinen Schrecken verlieren. Für die Manipulation von Mikrowellen jedenfalls ist diese Hoffnung heute schon Wirklichkeit. Belov:

"Wir können das Nahfeld auch vergrößern. Ein spannendes Szenario wäre also folgendes: Wir fangen das Nahfeld auf, das all die optischen Details enthält, die uns interessieren. Dann vergrößern wir dieses Bild. Dadurch werden jene Details, die zuvor viel kleiner als die Wellenlänge waren, vergleichbar mit der Wellenlänge und lassen sich dann mit konventioneller Optik abbilden. Solche so genannten Hyperlinsen sind vermutlich die vielversprechendste Anwendung."



 

 

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