Optische Superlinsen aus Gold

Eine kegelförmige Spitze aus Gold bildet das Kernstück eines neuen, extrem leistungsfähigen optischen Mikroskops, das Oldenburger Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology vorstellen.

Der Trick des neuen Mikroskops besteht darin, statt einer Linse aus Glas einen kleinen Kegel aus Gold mit einer winzigen eingravierten Gitterstruktur zu verwenden, um das Licht zu fokussieren.

Dabei wird die Lichtwelle in eine sogenannte Plasmonwelle umgewandelt, die an der Oberfläche des Goldes zur Spitze des Kegels entlangläuft.

Die Welle zieht sich dabei auf ihrem Weg räumlich immer weiter zusammen und wird so stark fokussiert, dass schließlich am Ende der Spitze ein isolierter, nur wenige Nanometer großer Lichtfleck entsteht, also hundertfach kleiner als ein Fleck, auf den Licht mit Glaslinsen fokussiert werden kann.

Dieser Lichtfleck wird nun über die Oberfläche der Probe bewegt und es wird ein räumliches Bild des gestreuten Lichts aufgenommen.

„Viele Nanostrukturen, etwa Viren oder auch technologisch relevante Nanopartikel, sind erheblich kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes und können mit konventionellen Lichtmikroskopen deshalb nicht abgebildet werden“, erläutert Dr. Martin Esmann, Hauptautor der Studie.

Er führte die Messungen für die aktuelle Studie während seiner Promotion an der Universität Oldenburg durch und arbeitet mittlerweile am Centre for Nanoscience and Nanotechnology der Université Paris-Sud in Frankreich.

Mit ihrem neuen Verfahren gelang es dem Team um den Physiker Prof. Dr. Christoph Lienau und den Chemiker Prof. Dr. Gunther Wittstock, zylindrische Nanopartikel mit einem Durchmesser von nur zehn Milliardstel Meter – also zehn Nanometer – optisch abzubilden.

Dabei konnten Details der räumlichen Verteilung der elektromagnetischen Felder, die diese Nanostrukturen umgeben, mit einer Auflösung von fünf Nanometern abgebildet werden.

„Wir konnten nicht nur die Helligkeit, sondern auch die Farbverteilung des gestreuten Lichts mit bisher nicht erreichter Präzision vermessen“, so Lienau. Die Methode bezeichnet das Oldenburger Team als „plasmonische Nanofokussierung.“

Die neue Technik kann aber nicht nur nanoskopische Objekte sichtbar machen, sie kann auch im Detail untersuchen und sogar steuern, wie sich Licht zwischen der Goldspitze und anderen Nanoobjekten ausbreitet.

„Es handelt sich also nicht nur um ein passiv beobachtendes Mikroskop, sondern mit unserer Nanosonde sind wir in der Lage, gezielt die optischen Eigenschaften des beobachteten Objekts zu verändern“, so Lienau weiter.

Damit biete die neue Methode ungeahnte Möglichkeiten, um beispielsweise den Energietransport auf der Nanoskala besser zu verstehen, sind sich die Experten sicher. Zudem sehen die Forscher Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin, bei der Entwicklung leistungsstärkerer Batterien und Solarzellen oder bei der Konzipierung neuer Bauelemente für Quantencomputer.

Prof. Dr. Christoph Lienau, Institut für Physik, Tel.: 0441/798-3485, E-Mail: christoph.lienau@uol.de

Martin Esmann, Simon Fabian Becker, Julia Witt, Jinxin Zhan, Abbas Chimeh, Anke Korte, Jinhui Zhong, Ralf Vogelgesang, Gunther Wittstock und Christoph Lienau: „Vectorial near-field coupling“, Nature Nanotechnology: http://dx.doi.org/10.1038/s41565-019-0441-y