Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neues holografisches Verfahren nutzt „bildstabilisierte Röntgenkamera“

07.01.2014
Ein Team um Stefan Eisebitt hat ein neues Röntgen-Holografie-Verfahren entwickelt, das „Schnappschüsse“ von dynamischen Prozessen mit bisher unerreichter Auflösung in Aussicht stellt.

Die Effizienz des neuartigen Verfahrens beruht auf einer fokussierenden Röntgenoptik, die mit dem abzubildenden Objekt fest verbunden ist. Dadurch liefert das Verfahren zwar zunächst eine unscharfe Abbildung, diese kann im Nachhinein jedoch fokussiert werden.


Als Testobjekte nutzten die Forscher den Umriss eines Geckos, der 10.000-fach verkleinert in eine Goldfolie einstrukturiert wurde und einen Ausschnitt aus dem „Siemensstern“, der hier wie eine Muschel aussieht. Das ganze Testobjekt hat mit sechs Mikrometern Durchmesser etwa die Größe eines roten Blutkörperchens. Die kleinsten noch aufgelösten Strukturen haben eine Breite von gerade einmal 46 Nanometern.
Fotonachweis: J. Geilhufe/HZB

Gleichzeitig löst dieser Trick (nämlich die feste Verbindung zwischen Objekt und Fokussieroptik) elegant das Problem des „Verwackelns“, das auf Nanometerskala eine enorme Rolle spielt.

Professor Dr. Stefan Eisebitt, der an der TU Berlin das Fachgebiet Nanometeroptik und Röntgenoptik leitet und auch am HZB forscht, erklärt: „So wie ein lichtstarkes Objektiv am Fotoapparat auch bei schwacher Beleuchtung noch scharfe Bilder ermöglicht, ermöglicht es auch hier ein optisches Element, das Röntgenlicht effizienter zu nutzen. Gleichzeitig haben wir diese Röntgenlinse fest mit dem abzubildenden Objekt gekoppelt, so dass Vibrationen keine Rolle mehr spielen und das Bild stabilisiert wird.“ Kontrastarme oder sich bewegende Nanoobjekte können damit deutlich besser abgebildet werden.

Für die Röntgen-Holografie wird „kohärentes Licht“ benötigt, bei dem die elektromagnetischen Wellen im Gleichtakt schwingen. Solches Licht produzieren Laser oder Synchrotronquellen wie BESSY II. Bei dem verwendeten holografischen Verfahren fällt ein Teil des Röntgenlichts auf das abzubildende Objekt und ein weiterer Teil durchdringt normalerweise eine Lochblende, die sich seitlich neben dem Objekt befindet: dies ist die Referenzwelle. Durch die Überlagerung beider Wellen entsteht ein Hologramm, welches von einem Detektor aufgezeichnet wird. Eine Abbildung des beleuchteten Objekts wird dann aus dem Hologramm am Computer rekonstruiert. Doch die Lochblende besitzt einen Nachteil: Um eine scharfe Abbildung zu ermöglichen, muss sie sehr klein sein, lässt dann jedoch zu wenig Licht hindurch, um auch bei sehr kontrastarmen Objekten ein gutes Bild zu erzeugen – ein Dilemma.

Mehr Licht durch spezielle Optik

Eine Lösung fanden die Physiker um Eisebitt mit einer speziellen Optik: einer Fresnel-Zonenplatte. Diese wird – als Ersatz für die Lochblende – auf der Objektebene selbst platziert. Dadurch gelingt es, die Referenzwelle deutlich zu verstärken. Allerdings liegt der Fokus der Optik (der einer idealen Punkt-förmigen Lochblende entspräche) eben nicht auf der Objektebene, so dass die Abbildung unscharf wird. Im Gegensatz zu einer Fotografie lässt sich jedoch diese Unschärfe aus einem Hologramm jedoch rechnerisch präzise korrigieren. Durch die effizientere Optik können Belichtungszeiten drastisch reduziert werden. So eignet sich die Methode nun besser um Schnappschüsse von ultraschnellen Prozessen zu ermöglichen.

Gecko-Umriss als Testobjekt

Doktorand Jan Geilhufe hat diese Idee ausgearbeitet und umgesetzt, und er war es auch, der das Bild des Geckos als filigranes Testobjekt beigesteuert hat. Dessen Umriss wurde zehntausendfach verkleinert in eine Goldfolie einstrukturiert. „Uns war es wichtig, ein originelles Testobjekt zu finden um zu zeigen wie gut die Methode funktioniert“, sagt Geilhufe. Die Muschel im Zentrum des Testobjekts zeigt dabei einen Ausschnitt aus einem sogenannten Siemensstern, einer Struktur zur Auflösungsbestimmung. Ähnlich wie am Schwanz des Geckos kann man an den zulaufenden Strahlen des Siemenssterns messen, wie gut unterschiedliche Strukturbreiten im Bild dargestellt werden. Das ganze Testobjekt hat mit sechs Mikrometern Durchmesser etwa die Größe eines roten Blutkörperchens. Die kleinsten noch aufgelösten Strukturen haben eine Breite von gerade einmal 46 Nanometern.

Röntgenkamera mit Bildstabilisator

Das altbekannte Problem des „Verwackelns“ durch Vibrationen des Bildgegenstandes relativ zur Optik wird umso dramatischer, je höher die Auflösung des optischen Systems ist. „In der Erforschung von Methoden zur hochauflösenden Röntgenbildgebung strebt man derzeit nach Auflösung von unter zehn Nanometern. Das sind weniger als hundert Atomabstände, daher machen sich selbst kleinste Schwingungen bemerkbar. Da reicht es schon, wenn einen Kilometer weiter die Straßenbahn vorbeifährt“, sagt Geilhufe. „Wir haben aber mit unserem Verfahren die Schwingungen des Objekts mit den Schwingungen der Referenzoptik fest gekoppelt, so dass die Linse exakt wie das Objekt schwingt. Wir haben sozusagen eine Röntgenkamera mit Bildstabilisator gebaut.“

„Die Kombination der weltweit anerkannten Expertise des HZB in der Herstellung von Fresnel-Zonenplatten mit den flexiblen Strukturierungsmöglichkeiten der „Nano-Werkbank“ an der TU Berlin hat diesen Fortschritt möglich gemacht“, betont Eisebitt.

Neue Methode wird an BESSY II angeboten

Heute wird die Arbeit in Nature Communications veröffentlicht, dann könnte die neue Methode von vielen Forschungsgruppen genutzt werden. Denn bessere räumliche und zeitliche Auflösungen versprechen neue Einblicke in schnelle Prozesse, zum Beispiel in schnelle magnetische Schaltvorgänge, die für die Datenspeicherung von Interesse sind. „Wir hoffen, dass unser Verfahren für viele Forschungsfragen nützlich ist und dazu beiträgt, die Welt auf der Skala weniger Nanometer besser zu verstehen“, sagt Stefan Eisebitt. Zukünftig wollen Eisebitt und sein Team ihre neue holografische Technik an BESSY II am so genannten RICXS-Aufbau auch Messgästen aus aller Welt anbieten.

Die Veröffentlichung erscheint heute (7.1.2014) in Nature Communications (DOI: 10.1038/ncomms4008).

Weitere Informationen:
Jan Geilhufe
Tel.: +49 (0)30-8062-14379
jan.geilhufe@helmholtz-berlin.de
Prof. Dr. Stefan Eisebitt
TU Berlin
Forschergruppe Funktionale Nanomaterialien
Tel.: +49 30 314-22258
eisebitt@physik.tu-berlin.de
Pressestelle
Dr. Antonia Rötger
Tel.: +49 (0)30-8062-43733
Fax: +49 (0)30-8062-42998
antonia.roetger@helmholtz-berlin.de

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=13888

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

nachricht Seltene Erden: Wasserabweisend erst durch Altern
22.03.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Im Focus: Auf der Spur des linearen Ubiquitins

Eine neue Methode ermöglicht es, den Geheimcode linearer Ubiquitin-Ketten zu entschlüsseln. Forscher der Goethe-Universität berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von "nature methods", zusammen mit Partnern der Universität Tübingen, der Queen Mary University und des Francis Crick Institute in London.

Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das im Körper an andere Proteine angehängt wird und so deren Funktion kontrollieren und verändern kann. Die Anheftung...

Im Focus: Tracing down linear ubiquitination

Researchers at the Goethe University Frankfurt, together with partners from the University of Tübingen in Germany and Queen Mary University as well as Francis Crick Institute from London (UK) have developed a novel technology to decipher the secret ubiquitin code.

Ubiquitin is a small protein that can be linked to other cellular proteins, thereby controlling and modulating their functions. The attachment occurs in many...

Im Focus: Physiker erzeugen gezielt Elektronenwirbel

Einem Team um den Oldenburger Experimentalphysiker Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt ist es mithilfe ultrakurzer Laserpulse gelungen, gezielt Elektronenwirbel zu erzeugen und diese dreidimensional abzubilden. Damit haben sie einen komplexen physikalischen Vorgang steuern können: die sogenannte Photoionisation oder Ladungstrennung. Diese gilt als entscheidender Schritt bei der Umwandlung von Licht in elektrischen Strom, beispielsweise in Solarzellen. Die Ergebnisse ihrer experimentellen Arbeit haben die Grundlagenforscher kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Das Umwandeln von Licht in elektrischen Strom ist ein ultraschneller Vorgang, dessen Details erstmals Albert Einstein in seinen Studien zum photoelektrischen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

Über Raum, Zeit und Materie

22.03.2017 | Veranstaltungen

Unter der Haut

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Neues Schiff für die Fischerei- und Meeresforschung

22.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Mit voller Kraft auf Erregerjagd

22.03.2017 | Biowissenschaften Chemie